JP3885740B2 - 圧縮比および空燃比が異なる２つの運転モードを変更する際の内燃機関の制御 - Google Patents
圧縮比および空燃比が異なる２つの運転モードを変更する際の内燃機関の制御 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮比を変更可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧縮比を変更可能な機構を有する種々の内燃機関が提案されている。圧縮比を高く設定すると、効率よく動力を得ることができるが、ノッキングが発生し易い。このため、圧縮比は、運転条件に応じて変更される。具体的には、内燃機関の負荷が低い場合（すなわちアクセル開度が小さい場合）には、ノッキングが発生し難いため、圧縮比は高く設定される。一方、内燃機関の負荷が高い場合（すなわちアクセル開度が大きい場合）には、ノッキングが発生し易いため、圧縮比は低く設定される。
【０００３】
特許文献１では、内燃機関の負荷が低い場合には、高圧縮比かつリーン空燃比（混合気の空燃比が理論空燃比より高い状態）で運転を実行し、内燃機関の負荷が高い場合には、低圧縮比かつリッチ空燃比（混合気の空燃比が理論空燃比より低い状態）で運転を実行する技術が開示されている。高圧縮比かつリーン空燃比で運転を実行する運転モードから低圧縮比かつリッチ空燃比で運転を実行する運転モードへ変更する際には、ノッキングが発生し得る。この技術では、圧縮比の変更と空燃比の変更とを同時にステップ状に実行することによって、ノッキングの発生が抑制されている。また、空燃比が急激に低下（リッチ化）すると出力トルクの急激な増大を招くが、この技術では、空燃比を低下させる同時に、圧縮比をステップ状に低下させることによって、運転モード変更時の出力トルクの段差（変化量）が緩和されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−１５９６４２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比の変更と空燃比の変更とを同時に実行するのは困難である。そして、変更タイミングがずれると、燃焼状態が劣化するという問題がある。具体的には、圧縮比の変更が遅れると、その遅延期間では、高圧縮比かつリッチ空燃比で運転が実行されるため、ノッキングなどの異常燃焼が発生してしまう。また、空燃比の急激な低下に起因する出力トルクの急激な増大は、圧縮比をステップ状に低下させることによって緩和されるが、出力トルクの段差（変化量）は比較的大きいという問題がある。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、運転モードを変更する際におけるノッキングなどの異常燃焼の発生と出力トルクの急激な増大とを抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、内燃機関であって、
燃焼室を含み、前記燃焼室の容積を変更することによって圧縮比を変更するための圧縮比変更部と、
弁を含み、前記弁の動作を調整することによって前記燃焼室内に吸入される吸入空気量を調整可能な可変動弁系と、
前記燃焼室に燃料を供給するための燃料供給部と、
前記内燃機関の運転条件を検出し、検出結果に応じて前記圧縮比変更部と前記可変動弁系と前記燃料供給部とを制御するための制御部と、
を備え、
前記内燃機関は、火花点火による燃焼が行われ、比較的高い圧縮比かつ比較的高い空燃比で運転を実行する第１の運転モードと、火花点火による燃焼が行われ、比較的低い圧縮比かつ比較的低い空燃比で運転を実行する第２の運転モードと、を有し、
前記制御部は、
前記検出結果に応じて前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ変更する場合に、
（ｉ）少なくとも前記可変動弁系を制御して、運転モード変更期間の始期における吸入空気量が運転モード変更前の吸入空気量よりも小さくなるように、前記弁の動作を調整し、この結果、運転モード変更期間の始期において、空燃比をステップ状に低下させ、
（ｉｉ）空燃比低下後の運転モード変更期間中に、前記圧縮比変更部を制御して、圧縮比を次第に低下させ、この際、前記可変動弁系を制御して、吸入空気量が次第に増大するように、前記弁の動作を調整すると共に、前記燃料供給部を制御して、燃料供給量を次第に増大させることを特徴とする。
【０００８】
この装置では、第１の運転モードから第２の運転モードへ変更する場合には、まず、運転モード変更期間の始期において空燃比をステップ状に低下させる。このため、運転モード変更期間の始期では、圧縮比が比較的高い状態に維持され、かつ、空燃比が低下した状態で運転が実行される。しかしながら、空燃比の変更は、吸入空気量を低下させることによって実現されているため、運転モード変更期間の始期における混合気量は比較的小さい。この結果、運転モード変更期間の始期において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクの急激な増大を抑制することができる。そして、その後の運転モード変更期間中に、圧縮比が次第に変更される。このとき、吸入空気量および燃料供給量が次第に増大するため、混合気量が次第に増大する。この結果、運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる。
【０００９】
ここで、前記比較的高い空燃比は、理論空燃比よりも大きく設定されており、前記比較的低い空燃比は、理論空燃比とほぼ等しく設定されていることが好ましい。
【００１０】
こうすれば、第１の運転モードでは、燃料消費率を向上させることができ、第２の運転モードでは、出力トルクを向上させることができる。
【００１１】
上記の装置において、
前記弁は、吸気弁であり、
前記制御部は、前記吸気弁の閉タイミングを変更することによって、実圧縮比を変更可能であり、
運転モード変更期間の始期における実圧縮比は、運転モード変更前の実圧縮比よりも低く設定され、
運転モード変更期間中における実圧縮比は、圧縮比の低下に伴って、次第に増大するように設定されることが好ましい。
【００１２】
ここで、実圧縮比とは、吸気弁の閉タイミングにおける燃焼室の容積と、燃焼室の最小容積と、の比である。
【００１３】
このように実圧縮比を変更すれば、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量を低下させることができ、その後の運転モード変更期間中において、吸入空気量を次第に増大させることができる。また、燃焼室内の混合気が強い圧縮を受けずに済むため、運転モード変更期間におけるノッキングを確実に抑制することができる。
【００１４】
なお、この発明は、内燃機関、内燃機関を搭載した移動体、内燃機関を制御するための制御装置および制御方法、制御装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ａ．エンジンの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、ガソリンエンジン１００の概略構成を示す説明図である。なお、本実施例のエンジンは車両に搭載されている。
【００１６】
エンジン１００は、エンジン本体１０を備えており、エンジン本体１０は、シリンダヘッド２０とシリンダブロック３０とを備えている。
【００１７】
シリンダブロック３０は、シリンダとして機能する上部ブロック３１と、クランクケースとして機能する下部ブロック３２と、を含んでいる。シリンダ内には、上下に往復運動するピストン４１が設けられており、クランクケース内には、回転運動するクランクシャフト４３が設けられている。ピストン４１とクランクシャフト４３とは、コネクティングロッド４２を介して接続されている。この構成によって、ピストン４１の往復運動とクランクシャフト４３の回転運動との変換が行われる。なお、シリンダヘッド２０とシリンダブロック３０とピストン４１とで囲まれた領域は、燃焼室を形成する。
【００１８】
また、上部ブロック３１と下部ブロック３２との間には、上部ブロック３１を下部ブロック３２に対して上下方向に移動させるためのアクチュエータ３３が設けられている。上部ブロック３１を上方に移動させると、シリンダヘッド２０も上方に移動する。このとき、燃焼室の容積が大きくなるため、圧縮比は小さくなる。逆に、上部ブロック３１を下方に移動させると、シリンダヘッド２０も下方に移動する。このとき、燃焼室の容積が小さくなるため、圧縮比は大きくなる。なお、圧縮比は、ピストンが下死点に位置するときの燃焼室の最大容積Ｖｂとピストンが上死点に位置するときの燃焼室の最小容積Ｖｔとを用いて、Ｖｂ／Ｖｔで表される。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート２３と排気ポート２４とが形成されている。吸気ポート２３には、吸気弁２１が配置されており、排気ポート２４には、排気弁２２が配置されている。吸気弁２１と排気弁２２とは、それぞれ、ピストン４１の往復運動に応じて動作する動弁機構（カム機構）２５，２６によって駆動される。なお、吸気弁２１を駆動する動弁機構２５は、可変動弁機構である。
【００２０】
吸気ポート２３には、吸気管５０が接続されており、排気ポート２４には、排気管５８が接続されている。吸気管５０には、スロットル弁５２と燃料噴射弁５５とが設けられている。吸気管５０の上流側からはエアクリーナ５１を介して空気が供給される。電動アクチュエータ５３によって制御されるスロットル弁５２は、燃焼室に導かれる空気量を調整する。燃料噴射弁５５は、図示しない燃料ポンプから供給される燃料（ガソリン）を吸気ポート２３内に噴射する。これにより、空気と燃料との混合気が生成される。混合気は、燃焼室内に供給された後、点火プラグ２７が形成する電気火花によって、燃焼する。燃焼済みの排気ガスは、燃焼室から排出される。
【００２１】
また、エンジン１００は、エンジン全体を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：electrical control unit ）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、バスで互いに接続されたＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭと入出力回路とを備えている。ＥＣＵ６０には、クランクシャフト４３に設けられたクランク角センサ６１や、アクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ６２、吸気管５０に設けられた吸気圧センサ５６などが接続されている。そして、ＥＣＵ６０は、これらの検出結果に基づいて、アクチュエータ３３や、可変動弁機構２５、点火プラグ２７、燃料噴射弁５５などを制御する。
【００２２】
なお、本実施例におけるエンジン本体１０が本発明における圧縮比変更部に相当する。また、吸気弁２１と可変動弁機構２５とが本発明における可変動弁系に相当し、燃料噴射弁５５が本発明における燃料供給部に相当する。さらに、ＥＣＵ６０とクランク角センサ６１とアクセル開度センサ６２とが本発明における制御部に相当する。
【００２３】
Ｂ．エンジンの制御：
図２は、エンジンの制御の概要を示すフローチャートである。なお、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理を繰り返し実行する。
【００２４】
ステップＳ１０１では、エンジンの運転条件が検出される。具体的には、ＥＣＵ６０は、運転条件として、エンジン回転数と要求トルクとを検出する。なお、エンジン回転数は、クランク角センサ６１の検出結果に基づいて決定され、要求トルクは、アクセル開度センサ６２の検出結果に基づいて決定される。
【００２５】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出された運転条件に基づいて、種々の制御が実行される。
【００２６】
ステップＳ１０２ａでは、圧縮比の制御が実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、検出された運転条件（エンジン回転数および要求トルク）に基づいて、目標圧縮比を決定する。また、ＥＣＵ６０は、アクチュエータ３３を駆動させることによって、エンジンの圧縮比を目標圧縮比に設定する。
【００２７】
ステップＳ１０２ｂでは、空燃比の制御が実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、検出された運転条件（エンジン回転数および要求トルク）に基づいて、目標空燃比を決定する。
【００２８】
空燃比の制御には、吸気弁の動作の制御（ステップＳ１０２ｂ１）と、燃料噴射の制御（ステップＳ１０２ｂ２）と、が含まれている。吸気弁の動作の制御は、燃焼室に吸入される吸入空気量を調整するために実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、可変動弁機構２５を制御して吸気弁２１の動作を調整し、この結果、燃焼室内に実際に吸入される吸入空気量が調整される。ここで、「吸入空気量」とは、圧縮行程において、燃焼室内で圧縮を受ける空気量を意味している。なお、吸気弁の動作の制御については、さらに後述する。
【００２９】
吸入空気量は、吸気圧センサ５６の検出結果に基づいて求められる。そして、目標空燃比と吸入空気量とに基づいて、燃料供給量が決定される。本実施例では、単位時間あたりの燃料噴射量と燃料噴射終了時期とは予め定められている。このため、燃料供給量は、燃料噴射開始時期を調整することによって、変更される。燃料噴射弁５５による燃料噴射は、クランク角センサ６１からの検出結果に基づいて適切なタイミングで実行される。
【００３０】
ところで、上記の目標圧縮比と目標空燃比とは、ＥＣＵ６０のＲＯＭ内に格納されたマップを用いて決定されている。図３は、運転条件に応じた目標圧縮比および目標空燃比を示すマップを模式的に示す説明図である。図示するように、本実施例では、要求トルクが比較的小さい条件では、目標圧縮比は比較的高い値に設定され、目標空燃比は比較的高い値（リーン空燃比）に設定される（第１の運転モード）。また、要求トルクが比較的大きい条件では、目標圧縮比は比較的低い値に設定され、目標空燃比は比較的低い値（理論空燃比）に設定される（第２の運転モード）。
【００３１】
図３のマップを用いれば、ノッキングの発生を抑制しつつ、比較的高い圧縮比での運転を実行することが可能となる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には、ノッキングが発生し易い。ノッキングの発生は、圧縮比を低くすることによって抑制可能である。このため、図３のマップでは、エンジン負荷が高い場合には、目標圧縮比が低く設定されている。また、図３のマップを用いれば、エンジン負荷が低い場合にはリーン空燃比で運転が実行されるため、燃料消費率を向上させることができる。逆に、エンジン負荷が高い場合には理論空燃比で運転が実行されるため、出力トルクを向上させることができる。
【００３２】
ステップＳ１０２ｃ（図２）では、検出された運転条件に応じて点火時期の制御が実行される。本実施例では、点火時期は、ＥＣＵ６０のＲＯＭ内に格納された運転条件に応じた目標点火時期を示すマップを用いて決定される。点火プラグ２７による点火は、クランク角センサ６１からの検出結果に基づいて適切なタイミングで実行される。
【００３３】
Ｃ．運転モード変更時の制御：
ところで、第１の運転モードから第２の運転モードへ変更する場合には、ノッキングなどの異常燃焼が発生し得る。このため、本実施例では、運転モード変更時におけるノッキングの発生を抑制できるように工夫している。ただし、以下では、本実施例における運転モード変更時の制御内容の説明に先行して、比較例における制御内容を説明する。
【００３４】
図４は、比較例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。この制御は、例えば、図３のマップにおいて、要求トルクが増大し、運転条件が点Ｃａから点Ｃｃに変化したときに実行される。
【００３５】
図４（ａ）は、要求トルクの変化を示している。図４（ｂ）は、混合気の空燃比の変化を示しており、図４（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、吸入空気量の変化と燃料供給量の変化とを示している。図４（ｅ）は、圧縮比の変化を示している。図４（ｆ）は、出力トルクの変化を示している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、要求トルクが比較的小さい期間Ｔａでは、図４（ｂ），（ｅ）に示すように、空燃比は比較的高い値（リーン空燃比）に設定されており、圧縮比は比較的高い値に設定されている。すなわち、期間Ｔａでは、図３に示す第１の運転モードで運転が実行されている。要求トルクが時刻ｔ１で急激に増大すると、空燃比と圧縮比とは、ステップ状に変更される。具体的には、要求トルクが比較的大きい期間Ｔｃでは、空燃比は比較的低い値（理論空燃比）に設定されており、圧縮比は比較的低い値に設定されている。すなわち、期間Ｔｃでは、図３に示す第２の運転モードで運転が実行されている。
【００３７】
なお、図４（ｂ）に示すように、空燃比をステップ状に変更するのは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制するためである。すなわち、ＮＯｘの排出量は、空燃比が理論空燃比よりもやや高いとき（空燃比が約１６のとき）に最大となる。このため、本実施例では、リーン空燃比（例えば約２２）から理論空燃比（約１４．７）へステップ状に変更されている。また、空燃比が理論空燃比に設定されたときに比較的高い圧縮比で燃焼が行われると、ノッキングが発生する。このため、比較例では、空燃比をステップ状に変更するのと同時に、圧縮比をステップ状に低下させている。
【００３８】
要求トルクが急激に大きくなると、スロットル開度も急激に大きくなる（図４（ａ））。このとき、図４（ｃ）に示すように、吸入空気量も急激に増大する。そして、運転モード変更後の空燃比（すなわち理論空燃比）を実現するために、図４（ｄ）に示すように燃料供給量が急激に増大する。この結果、図４（ｆ）に示すように、出力トルクが急激に増大する。
【００３９】
比較例では、空燃比と圧縮比とが同時にステップ状に変更されるため、ノッキングの発生を抑制することが可能となっている。しかしながら、空燃比をステップ状に変更することによって、出力トルクが急激に増大し、この結果、ドライバビリティが損なわれる。なお、比較例では、空燃比の急激な低下（リッチ化）に起因する出力トルクの急激な増大は、空燃比の変更と同時に圧縮比をステップ状に低下させることによって、やや緩和されている。しかしながら、依然、出力トルクの段差（変化量）は、比較的大きい。
【００４０】
ところで、比較例では、空燃比と圧縮比とが同時にステップ状に変更されているが、このような変更は、通常、困難である。すなわち、空燃比と圧縮比との変更タイミングは、通常、ずれる。そして、この場合には、正常な燃焼を維持することが困難となる。
【００４１】
具体的には、圧縮比の変更が遅れる場合には、その遅延期間において、高圧縮比かつ理論空燃比で燃焼が行われるため、ノッキングなどの異常燃焼が発生してしまう。なお、ノッキングの発生は、点火時期を大幅に遅角させることによって抑制可能であるが、燃料消費率が悪化してしまう。逆に、空燃比の変更が遅れる場合には、その遅延期間において、低圧縮比かつリーン空燃比で燃焼が行われるため、失火やエミッションの悪化を招いてしまう。
【００４２】
なお、圧縮比を迅速に変更することは、通常、困難である。大型のアクチュエータを用いれば、運転条件の変化に伴って、圧縮比を迅速に変更することができる。しかしながら、大型のアクチュエータを駆動するためには、大きなエネルギが必要となり、この結果、燃料消費率が悪化してしまう。
【００４３】
そこで、本実施例では、運転モードを変更する際の手順を工夫することによって、ノッキングなどの異常燃焼の発生と出力トルクの急激な増大とを抑制している。具体的には、運転モードを変更する際に、圧縮比を比較的長い期間を経て変化させると共に、吸気弁の動作を工夫することによって吸入空気量を調整している。
【００４４】
なお、本実施例では、吸入空気量の調整は、吸気弁の位相を変更することによって実現される。この説明から分かるように、本実施例の可変動弁機構２５は、可変バルブタイミング方式を採用している。この方式では、カムの位相を変更することによって、吸気弁２１の開閉タイミングが変更される。
【００４５】
図５は、本実施例における運転モード変更時の処理手順を示すフローチャートである。ただし、図５は、運転モード変更時におけるステップＳ１０２（図２）の具体的な処理を、空燃比および圧縮比の変更に注目して示している。すなわち、図５の処理は、図２のステップＳ１０１において要求トルクの増大が検出され、ステップＳ１０２において運転モードを変更する場合に実行される。
【００４６】
図６は、本実施例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。図６（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図４（ａ）〜（ｆ）に対応する。図６（ｇ）は、吸気弁の位相の変化を示している。なお、図６（ａ），（ｂ）は図４（ａ），（ｂ）と同じである。
【００４７】
図５のステップＳ２０１では、まず、混合気の空燃比が、リーン空燃比から理論空燃比へステップ状に変更される。これは、図６（ｇ）に示すように、吸気弁の位相をステップ状に遅角側に変更することによって実現される。具体的には、吸気弁の位相を変更することによって、吸入空気量がステップ状に低下し（図６（ｃ））、この結果、混合気の空燃比が理論空燃比に設定される。すなわち、本実施例では、空燃比の変更時には、図６（ｄ）に示すように燃料供給量は変更されていない。また、空燃比の変更時には、図６（ｅ）に示すように圧縮比も変更されていない。このため、空燃比の変更直後には、比較的高い高圧縮比かつ理論空燃比で燃焼が実行されることになる。しかしながら、このとき、吸入空気量の低下に伴って、混合気量が低下している。このため、空燃比の変更時において、ノッキングなどの異常燃焼の発生と、空燃比の急激な低下に伴う出力トルクの急激な増大とが、抑制される。
【００４８】
図５のステップＳ２０２では、図６（ｅ）に示すように、圧縮比を次第に低下させる。また、ステップＳ２０３では、混合気量を次第に増大させる。具体的には、吸気弁の位相を次第に進角側へシフトさせることによって（図６（ｇ））、吸入空気量を次第に増大させる（図６（ｃ））。そして、混合気の空燃比が理論空燃比に維持されるように、燃料供給量を次第に増大させる（図６（ｄ））。このように、混合気の空燃比が理論空燃比に維持されたまま、圧縮比を次第に低下させると共に混合気量を次第に増大させれば、圧縮比の変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる（図６（ｆ））。
【００４９】
本実施例では、ステップＳ２０２，Ｓ２０３の処理は、ほぼ同時に終了するように設定されている。具体的には、ステップＳ２０２の処理は、圧縮比が所定期間Ｔｂを経て目標圧縮比に到達するように、実行される。また、ステップＳ２０３の処理は、吸気弁の位相が所定期間Ｔｂを経て運転モード変更前の位相に戻るように、実行される。所定期間Ｔｂは、例えば、要求トルクの単位時間あたりの変化量に基づいて決定されていればよい。すなわち、該変化量が比較的大きい程、要求トルクが比較的迅速に増大していると判断できるため、所定期間を比較的短く設定すればよい。あるいは、所定期間Ｔｂは、要求トルクの単位時間あたりの変化量に関わらず、一定の期間に設定されていてもよい。
【００５０】
なお、期間Ｔｂにおける点火時期の制御は、現行圧縮比に適したタイミングで実行されることが好ましい。期間Ｔｂにおける現行圧縮比は、例えば、アクチュエータ３３に対する制御量から求められる。
【００５１】
図７は、図６の各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける吸気弁の具体的な動作を示す説明図である。なお、図７では、吸気弁２１の動作と共に、排気弁２２の動作も示されている。リフト量の変化から分かるように、排気弁２２は、排気行程において開状態に設定され、吸気弁２１は、吸入行程において開状態に設定される。期間Ｔａにおける吸気弁の動作は曲線Ｖ１ａで表され、期間Ｔｃにおける吸気弁の動作は曲線Ｖ１ｃで表される。なお、曲線Ｖ１ａと曲線Ｖ１ｃとは、同じである。そして、期間Ｔｂにおける吸気弁の動作は、曲線Ｖ１ｂで表される。具体的には、期間Ｔｂにおける吸気弁の位相は、まず、曲線Ｖ１ａからステップ状に遅角側に変更され、その後に、次第に進角側に変更されて曲線Ｖ１ｃに至る。
【００５２】
図示するように、各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける作動角（すなわち吸気弁が開いている期間）は等しく設定されているが、期間Ｔａ，Ｔｃにおける開閉タイミングと期間Ｔｂにおける開閉タイミングとは異なっている。より具体的には、期間Ｔｂでは、吸気弁の開閉タイミングは、期間Ｔａ，Ｔｃにおける開閉タイミングよりも遅角側に設定されている。このとき、期間Ｔｂにおける吸気弁の閉タイミングと下死点との角度差は、期間Ｔａ，Ｔｃにおける吸気弁の閉タイミングと下死点との角度差よりも、大きく設定される。すなわち、図７に示すように吸気弁の位相を変更することによって、期間Ｔｂにおける実圧縮比を、期間Ｔａ，Ｔｃにおける実圧縮比よりも低く設定することができる。なお、実圧縮比は、吸気弁の閉タイミングを基準とする容積比を意味しており、吸気弁の閉タイミングにおける燃焼室の容積Ｖｍと、ピストンが上死点に位置するときの燃焼室の最小容積Ｖｔとを用いて、Ｖｍ／Ｖｔで表される。
【００５３】
上記のように吸気弁の位相を変更することによって、換言すれば、実圧縮比を変更することによって、期間Ｔｂ，Ｔｃにおけるスロットル開度が同じであるにも関わらず（図６（ａ））、期間Ｔｂの始期における吸入空気量を、期間Ｔａにおける吸入空気量よりも小さく設定することができると共に、期間Ｔｂにおいて、吸入空気量を次第に増大させることができる（図６（ｃ））。また、期間Ｔｂにおける実圧縮比は比較的低く設定されるため、圧縮行程において燃焼室内の混合気が強い圧縮を受けずに済む。これにより、期間Ｔｂにおいて発生し得るノッキングなどの異常燃焼をより確実に抑制することが可能となる。
【００５４】
以上説明したように、本実施例の構成を採用すれば、運転モード変更期間の始期において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクの急激な増大を抑制することができる。また、空燃比低下後の運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる。
【００５５】
なお、本実施例では、期間Ｔａにおける吸気弁の位相と期間Ｔｃにおける吸気弁の位相とは、ほぼ同じ位相に設定されているが、異なる位相に設定されていてもよい。
【００５６】
また、本実施例では、期間Ｔｂにおいて、吸気弁２１の位相を遅角側にシフトさせることによって実圧縮比を低下させているが、これに代えて、吸気弁の位相を進角側にシフトさせることによって、より具体的には、吸気弁の閉タイミングを下死点よりも前に設定することによって、実圧縮比を低下させるようにしてもよい。
【００５７】
一般には、吸気弁の閉タイミングを変更することによって、運転モード変更期間の始期における実圧縮比を運転モード変更前の実圧縮比よりも低く設定し、運転モード変更期間中における実圧縮比を、圧縮比の低下に伴って、次第に増大するように設定すればよい。
【００５８】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５９】
（１）上記実施例では、空燃比低下後の運転モード変更期間中における圧縮比の変更および混合気量の変更（図５のステップＳ２０２，Ｓ２０３）は、ほぼ同時に終了するように設定されているが、２つの処理の終了時期は、ずれていてもよい。ただし、上記実施例のようにすれば、空燃比低下後の運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を確実に抑制することができると共に、出力トルクを滑らかに増大させることができるという利点がある。
【００６０】
一般には、空燃比をステップ状に低下させた後の運転モード変更期間中において、圧縮比を次第に低下させると共に、吸入空気量および燃料供給量を次第に増大させればよい。
【００６１】
（２）上記実施例では、運転モード変更期間の始期における空燃比の変更は、吸入空気量のみを変更することによって実現されているが、これに代えて、吸入空気量と共に燃料供給量を変更するようにしてもよい。例えば、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量の変化量（低下量）をやや小さく設定すると共に、燃料供給量をやや増大させるようにしてもよい。逆に、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量の変化量（低下量）をやや大きく設定すると共に、燃料供給量をやや低下させるようにしてもよい。このようにしても、運転モード変更期間の始期において、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比へ変更することができる。ただし、上記実施例のようにすれば、ノッキングなどの異常燃焼の発生や、出力トルクの急激な増大をより抑制することができるという利点がある。
【００６２】
また、上記実施例では、空燃比は、運転モード変更期間の始期において、リーン空燃比から理論空燃比へステップ状に変更され、その後、理論空燃比のまま維持されている。しかしながら、これに代えて、空燃比をステップ状に低下させた後の運転モード変更期間中に、空燃比を次第に変更するようにしてもよい。例えば、運転モード変更期間の始期において、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へステップ状に変更し、その後の運転モード変更期間中において、空燃比をリッチ空燃比から理論空燃比へ次第に変更するようにしてもよい。
【００６３】
一般には、運転モード変更期間の始期において、少なくとも吸入空気量を調整することによって、空燃比をステップ状に低下させればよい。
【００６４】
（３）上記実施例では、圧縮比は予め定められた２つの値（図３）のうちのいずれかに設定可能であるが、予め定められた３つ以上の値のうちのいずれかに設定可能であってもよい。また、圧縮比は、予め定められた最大値と最小値との間で連続的に設定可能であってもよい。
【００６５】
また、上記実施例では、第２の運転モードの空燃比は理論空燃比に設定されているが、これに代えて、例えば、リッチ空燃比に設定されていてもよい。
【００６６】
一般には、内燃機関は、比較的高い圧縮比かつ比較的高い空燃比で運転を実行する第１の運転モードと、比較的低い圧縮比かつ比較的低い空燃比で運転を実行する第２の運転モードと、を有していればよい。
【００６７】
（４）上記実施例では、圧縮比は、上部ブロック３１を下部ブロック３２に対して上下方向に移動させることによって変更されているが、他の方法で変更されてもよい。
【００６８】
一般には、圧縮比変更部は、燃焼室を含み、燃焼室の容積を変更することによって、より具体的には、燃焼室の最大容積と最小容積とのうちの少なくとも一方を変更することによって、圧縮比を変更すればよい。
【００６９】
（５）上記実施例の可変動弁機構２５は、カムの位相を変更可能な可変バルブタイミング方式を採用しているが、他の方式を採用するようにしてもよい。例えば、カムの位相およびリフト量を変更可能な可変バルブタイミング・リフト方式や、カムのリフト量のみを変更可能な可変バルブリフト方式、カムの作動角のみを変更可能な可変バルブ作動角方式などを採用可能である。
【００７０】
また、上記実施例では、吸気弁の動作は、カムを有する可変動弁機構によって制御されているが、これに代えて、ソレノイドコイルを有する電磁駆動機構によって制御されていてもよい。こうすれば、吸気弁の位相や、リフト量、作動角などを任意に変更することができるという利点がある。
【００７１】
また、上記実施例では、吸気弁の動作を変更することによって、吸入空気量が調整されているが、これに代えて、あるいは、これと共に、排気弁の動作を変更することによって、吸入空気量が調整されるようにしてもよい。
【００７２】
一般には、可変動弁系は、弁を含み、弁の動作を調整することによって燃焼室内に吸入される吸入空気量を調整可能であればよい。
【００７３】
（６）上記実施例では、エンジンは車両に搭載されているが、船舶などの移動体に搭載されていてもよい。また、定置式の装置に搭載されていてもよい。
【００７４】
一般には、本発明は、圧縮比変更部を備える内燃機関に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガソリンエンジン１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】 エンジンの制御の概要を示すフローチャートである。
【図３】 運転条件に応じた目標圧縮比および目標空燃比を示すマップを模式的に示す説明図である。
【図４】 比較例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。
【図５】 本実施例における運転モード変更時の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】 本実施例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。
【図７】 図６の各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける吸気弁の具体的な動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン本体
２０…シリンダヘッド
２１…吸気弁
２２…排気弁
２３…吸気ポート
２４…排気ポート
２５…可変動弁機構
２６…動弁機構
２７…点火プラグ
３０…シリンダブロック
３１…上部ブロック
３２…下部ブロック
３３…アクチュエータ
４１…ピストン
４２…コネクティングロッド
４３…クランクシャフト
５０…吸気管
５１…エアクリーナ
５２…スロットル弁
５３…電動アクチュエータ
５５…燃料噴射弁
５６…吸気圧センサ
５８…排気管
６０…ＥＣＵ
６１…クランク角センサ
６２…アクセル開度センサ
１００…エンジン
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮比を変更可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧縮比を変更可能な機構を有する種々の内燃機関が提案されている。圧縮比を高く設定すると、効率よく動力を得ることができるが、ノッキングが発生し易い。このため、圧縮比は、運転条件に応じて変更される。具体的には、内燃機関の負荷が低い場合（すなわちアクセル開度が小さい場合）には、ノッキングが発生し難いため、圧縮比は高く設定される。一方、内燃機関の負荷が高い場合（すなわちアクセル開度が大きい場合）には、ノッキングが発生し易いため、圧縮比は低く設定される。
【０００３】
特許文献１では、内燃機関の負荷が低い場合には、高圧縮比かつリーン空燃比（混合気の空燃比が理論空燃比より高い状態）で運転を実行し、内燃機関の負荷が高い場合には、低圧縮比かつリッチ空燃比（混合気の空燃比が理論空燃比より低い状態）で運転を実行する技術が開示されている。高圧縮比かつリーン空燃比で運転を実行する運転モードから低圧縮比かつリッチ空燃比で運転を実行する運転モードへ変更する際には、ノッキングが発生し得る。この技術では、圧縮比の変更と空燃比の変更とを同時にステップ状に実行することによって、ノッキングの発生が抑制されている。また、空燃比が急激に低下（リッチ化）すると出力トルクの急激な増大を招くが、この技術では、空燃比を低下させる同時に、圧縮比をステップ状に低下させることによって、運転モード変更時の出力トルクの段差（変化量）が緩和されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−１５９６４２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比の変更と空燃比の変更とを同時に実行するのは困難である。そして、変更タイミングがずれると、燃焼状態が劣化するという問題がある。具体的には、圧縮比の変更が遅れると、その遅延期間では、高圧縮比かつリッチ空燃比で運転が実行されるため、ノッキングなどの異常燃焼が発生してしまう。また、空燃比の急激な低下に起因する出力トルクの急激な増大は、圧縮比をステップ状に低下させることによって緩和されるが、出力トルクの段差（変化量）は比較的大きいという問題がある。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、運転モードを変更する際におけるノッキングなどの異常燃焼の発生と出力トルクの急激な増大とを抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、内燃機関であって、
燃焼室を含み、前記燃焼室の容積を変更することによって圧縮比を変更するための圧縮比変更部と、
弁を含み、前記弁の動作を調整することによって前記燃焼室内に吸入される吸入空気量を調整可能な可変動弁系と、
前記燃焼室に燃料を供給するための燃料供給部と、
前記内燃機関の運転条件を検出し、検出結果に応じて前記圧縮比変更部と前記可変動弁系と前記燃料供給部とを制御するための制御部と、
を備え、
前記内燃機関は、火花点火による燃焼が行われ、比較的高い圧縮比かつ比較的高い空燃比で運転を実行する第１の運転モードと、火花点火による燃焼が行われ、比較的低い圧縮比かつ比較的低い空燃比で運転を実行する第２の運転モードと、を有し、
前記制御部は、
前記検出結果に応じて前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ変更する場合に、
（ｉ）少なくとも前記可変動弁系を制御して、運転モード変更期間の始期における吸入空気量が運転モード変更前の吸入空気量よりも小さくなるように、前記弁の動作を調整し、この結果、運転モード変更期間の始期において、空燃比をステップ状に低下させ、
（ｉｉ）空燃比低下後の運転モード変更期間中に、前記圧縮比変更部を制御して、圧縮比を次第に低下させ、この際、前記可変動弁系を制御して、吸入空気量が次第に増大するように、前記弁の動作を調整すると共に、前記燃料供給部を制御して、燃料供給量を次第に増大させることを特徴とする。
【０００８】
この装置では、第１の運転モードから第２の運転モードへ変更する場合には、まず、運転モード変更期間の始期において空燃比をステップ状に低下させる。このため、運転モード変更期間の始期では、圧縮比が比較的高い状態に維持され、かつ、空燃比が低下した状態で運転が実行される。しかしながら、空燃比の変更は、吸入空気量を低下させることによって実現されているため、運転モード変更期間の始期における混合気量は比較的小さい。この結果、運転モード変更期間の始期において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクの急激な増大を抑制することができる。そして、その後の運転モード変更期間中に、圧縮比が次第に変更される。このとき、吸入空気量および燃料供給量が次第に増大するため、混合気量が次第に増大する。この結果、運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる。
【０００９】
ここで、前記比較的高い空燃比は、理論空燃比よりも大きく設定されており、前記比較的低い空燃比は、理論空燃比とほぼ等しく設定されていることが好ましい。
【００１０】
こうすれば、第１の運転モードでは、燃料消費率を向上させることができ、第２の運転モードでは、出力トルクを向上させることができる。
【００１１】
上記の装置において、
前記弁は、吸気弁であり、
前記制御部は、前記吸気弁の閉タイミングを変更することによって、実圧縮比を変更可能であり、
運転モード変更期間の始期における実圧縮比は、運転モード変更前の実圧縮比よりも低く設定され、
運転モード変更期間中における実圧縮比は、圧縮比の低下に伴って、次第に増大するように設定されることが好ましい。
【００１２】
ここで、実圧縮比とは、吸気弁の閉タイミングにおける燃焼室の容積と、燃焼室の最小容積と、の比である。
【００１３】
このように実圧縮比を変更すれば、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量を低下させることができ、その後の運転モード変更期間中において、吸入空気量を次第に増大させることができる。また、燃焼室内の混合気が強い圧縮を受けずに済むため、運転モード変更期間におけるノッキングを確実に抑制することができる。
【００１４】
なお、この発明は、内燃機関、内燃機関を搭載した移動体、内燃機関を制御するための制御装置および制御方法、制御装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ａ．エンジンの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、ガソリンエンジン１００の概略構成を示す説明図である。なお、本実施例のエンジンは車両に搭載されている。
【００１６】
エンジン１００は、エンジン本体１０を備えており、エンジン本体１０は、シリンダヘッド２０とシリンダブロック３０とを備えている。
【００１７】
シリンダブロック３０は、シリンダとして機能する上部ブロック３１と、クランクケースとして機能する下部ブロック３２と、を含んでいる。シリンダ内には、上下に往復運動するピストン４１が設けられており、クランクケース内には、回転運動するクランクシャフト４３が設けられている。ピストン４１とクランクシャフト４３とは、コネクティングロッド４２を介して接続されている。この構成によって、ピストン４１の往復運動とクランクシャフト４３の回転運動との変換が行われる。なお、シリンダヘッド２０とシリンダブロック３０とピストン４１とで囲まれた領域は、燃焼室を形成する。
【００１８】
また、上部ブロック３１と下部ブロック３２との間には、上部ブロック３１を下部ブロック３２に対して上下方向に移動させるためのアクチュエータ３３が設けられている。上部ブロック３１を上方に移動させると、シリンダヘッド２０も上方に移動する。このとき、燃焼室の容積が大きくなるため、圧縮比は小さくなる。逆に、上部ブロック３１を下方に移動させると、シリンダヘッド２０も下方に移動する。このとき、燃焼室の容積が小さくなるため、圧縮比は大きくなる。なお、圧縮比は、ピストンが下死点に位置するときの燃焼室の最大容積Ｖｂとピストンが上死点に位置するときの燃焼室の最小容積Ｖｔとを用いて、Ｖｂ／Ｖｔで表される。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート２３と排気ポート２４とが形成されている。吸気ポート２３には、吸気弁２１が配置されており、排気ポート２４には、排気弁２２が配置されている。吸気弁２１と排気弁２２とは、それぞれ、ピストン４１の往復運動に応じて動作する動弁機構（カム機構）２５，２６によって駆動される。なお、吸気弁２１を駆動する動弁機構２５は、可変動弁機構である。
【００２０】
吸気ポート２３には、吸気管５０が接続されており、排気ポート２４には、排気管５８が接続されている。吸気管５０には、スロットル弁５２と燃料噴射弁５５とが設けられている。吸気管５０の上流側からはエアクリーナ５１を介して空気が供給される。電動アクチュエータ５３によって制御されるスロットル弁５２は、燃焼室に導かれる空気量を調整する。燃料噴射弁５５は、図示しない燃料ポンプから供給される燃料（ガソリン）を吸気ポート２３内に噴射する。これにより、空気と燃料との混合気が生成される。混合気は、燃焼室内に供給された後、点火プラグ２７が形成する電気火花によって、燃焼する。燃焼済みの排気ガスは、燃焼室から排出される。
【００２１】
また、エンジン１００は、エンジン全体を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：electrical control unit ）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、バスで互いに接続されたＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭと入出力回路とを備えている。ＥＣＵ６０には、クランクシャフト４３に設けられたクランク角センサ６１や、アクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ６２、吸気管５０に設けられた吸気圧センサ５６などが接続されている。そして、ＥＣＵ６０は、これらの検出結果に基づいて、アクチュエータ３３や、可変動弁機構２５、点火プラグ２７、燃料噴射弁５５などを制御する。
【００２２】
なお、本実施例におけるエンジン本体１０が本発明における圧縮比変更部に相当する。また、吸気弁２１と可変動弁機構２５とが本発明における可変動弁系に相当し、燃料噴射弁５５が本発明における燃料供給部に相当する。さらに、ＥＣＵ６０とクランク角センサ６１とアクセル開度センサ６２とが本発明における制御部に相当する。
【００２３】
Ｂ．エンジンの制御：
図２は、エンジンの制御の概要を示すフローチャートである。なお、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理を繰り返し実行する。
【００２４】
ステップＳ１０１では、エンジンの運転条件が検出される。具体的には、ＥＣＵ６０は、運転条件として、エンジン回転数と要求トルクとを検出する。なお、エンジン回転数は、クランク角センサ６１の検出結果に基づいて決定され、要求トルクは、アクセル開度センサ６２の検出結果に基づいて決定される。
【００２５】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出された運転条件に基づいて、種々の制御が実行される。
【００２６】
ステップＳ１０２ａでは、圧縮比の制御が実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、検出された運転条件（エンジン回転数および要求トルク）に基づいて、目標圧縮比を決定する。また、ＥＣＵ６０は、アクチュエータ３３を駆動させることによって、エンジンの圧縮比を目標圧縮比に設定する。
【００２７】
ステップＳ１０２ｂでは、空燃比の制御が実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、検出された運転条件（エンジン回転数および要求トルク）に基づいて、目標空燃比を決定する。
【００２８】
空燃比の制御には、吸気弁の動作の制御（ステップＳ１０２ｂ１）と、燃料噴射の制御（ステップＳ１０２ｂ２）と、が含まれている。吸気弁の動作の制御は、燃焼室に吸入される吸入空気量を調整するために実行される。具体的には、ＥＣＵ６０は、可変動弁機構２５を制御して吸気弁２１の動作を調整し、この結果、燃焼室内に実際に吸入される吸入空気量が調整される。ここで、「吸入空気量」とは、圧縮行程において、燃焼室内で圧縮を受ける空気量を意味している。なお、吸気弁の動作の制御については、さらに後述する。
【００２９】
吸入空気量は、吸気圧センサ５６の検出結果に基づいて求められる。そして、目標空燃比と吸入空気量とに基づいて、燃料供給量が決定される。本実施例では、単位時間あたりの燃料噴射量と燃料噴射終了時期とは予め定められている。このため、燃料供給量は、燃料噴射開始時期を調整することによって、変更される。燃料噴射弁５５による燃料噴射は、クランク角センサ６１からの検出結果に基づいて適切なタイミングで実行される。
【００３０】
ところで、上記の目標圧縮比と目標空燃比とは、ＥＣＵ６０のＲＯＭ内に格納されたマップを用いて決定されている。図３は、運転条件に応じた目標圧縮比および目標空燃比を示すマップを模式的に示す説明図である。図示するように、本実施例では、要求トルクが比較的小さい条件では、目標圧縮比は比較的高い値に設定され、目標空燃比は比較的高い値（リーン空燃比）に設定される（第１の運転モード）。また、要求トルクが比較的大きい条件では、目標圧縮比は比較的低い値に設定され、目標空燃比は比較的低い値（理論空燃比）に設定される（第２の運転モード）。
【００３１】
図３のマップを用いれば、ノッキングの発生を抑制しつつ、比較的高い圧縮比での運転を実行することが可能となる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には、ノッキングが発生し易い。ノッキングの発生は、圧縮比を低くすることによって抑制可能である。このため、図３のマップでは、エンジン負荷が高い場合には、目標圧縮比が低く設定されている。また、図３のマップを用いれば、エンジン負荷が低い場合にはリーン空燃比で運転が実行されるため、燃料消費率を向上させることができる。逆に、エンジン負荷が高い場合には理論空燃比で運転が実行されるため、出力トルクを向上させることができる。
【００３２】
ステップＳ１０２ｃ（図２）では、検出された運転条件に応じて点火時期の制御が実行される。本実施例では、点火時期は、ＥＣＵ６０のＲＯＭ内に格納された運転条件に応じた目標点火時期を示すマップを用いて決定される。点火プラグ２７による点火は、クランク角センサ６１からの検出結果に基づいて適切なタイミングで実行される。
【００３３】
Ｃ．運転モード変更時の制御：
ところで、第１の運転モードから第２の運転モードへ変更する場合には、ノッキングなどの異常燃焼が発生し得る。このため、本実施例では、運転モード変更時におけるノッキングの発生を抑制できるように工夫している。ただし、以下では、本実施例における運転モード変更時の制御内容の説明に先行して、比較例における制御内容を説明する。
【００３４】
図４は、比較例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。この制御は、例えば、図３のマップにおいて、要求トルクが増大し、運転条件が点Ｃａから点Ｃｃに変化したときに実行される。
【００３５】
図４（ａ）は、要求トルクの変化を示している。図４（ｂ）は、混合気の空燃比の変化を示しており、図４（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、吸入空気量の変化と燃料供給量の変化とを示している。図４（ｅ）は、圧縮比の変化を示している。図４（ｆ）は、出力トルクの変化を示している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、要求トルクが比較的小さい期間Ｔａでは、図４（ｂ），（ｅ）に示すように、空燃比は比較的高い値（リーン空燃比）に設定されており、圧縮比は比較的高い値に設定されている。すなわち、期間Ｔａでは、図３に示す第１の運転モードで運転が実行されている。要求トルクが時刻ｔ１で急激に増大すると、空燃比と圧縮比とは、ステップ状に変更される。具体的には、要求トルクが比較的大きい期間Ｔｃでは、空燃比は比較的低い値（理論空燃比）に設定されており、圧縮比は比較的低い値に設定されている。すなわち、期間Ｔｃでは、図３に示す第２の運転モードで運転が実行されている。
【００３７】
なお、図４（ｂ）に示すように、空燃比をステップ状に変更するのは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制するためである。すなわち、ＮＯｘの排出量は、空燃比が理論空燃比よりもやや高いとき（空燃比が約１６のとき）に最大となる。このため、本実施例では、リーン空燃比（例えば約２２）から理論空燃比（約１４．７）へステップ状に変更されている。また、空燃比が理論空燃比に設定されたときに比較的高い圧縮比で燃焼が行われると、ノッキングが発生する。このため、比較例では、空燃比をステップ状に変更するのと同時に、圧縮比をステップ状に低下させている。
【００３８】
要求トルクが急激に大きくなると、スロットル開度も急激に大きくなる（図４（ａ））。このとき、図４（ｃ）に示すように、吸入空気量も急激に増大する。そして、運転モード変更後の空燃比（すなわち理論空燃比）を実現するために、図４（ｄ）に示すように燃料供給量が急激に増大する。この結果、図４（ｆ）に示すように、出力トルクが急激に増大する。
【００３９】
比較例では、空燃比と圧縮比とが同時にステップ状に変更されるため、ノッキングの発生を抑制することが可能となっている。しかしながら、空燃比をステップ状に変更することによって、出力トルクが急激に増大し、この結果、ドライバビリティが損なわれる。なお、比較例では、空燃比の急激な低下（リッチ化）に起因する出力トルクの急激な増大は、空燃比の変更と同時に圧縮比をステップ状に低下させることによって、やや緩和されている。しかしながら、依然、出力トルクの段差（変化量）は、比較的大きい。
【００４０】
ところで、比較例では、空燃比と圧縮比とが同時にステップ状に変更されているが、このような変更は、通常、困難である。すなわち、空燃比と圧縮比との変更タイミングは、通常、ずれる。そして、この場合には、正常な燃焼を維持することが困難となる。
【００４１】
具体的には、圧縮比の変更が遅れる場合には、その遅延期間において、高圧縮比かつ理論空燃比で燃焼が行われるため、ノッキングなどの異常燃焼が発生してしまう。なお、ノッキングの発生は、点火時期を大幅に遅角させることによって抑制可能であるが、燃料消費率が悪化してしまう。逆に、空燃比の変更が遅れる場合には、その遅延期間において、低圧縮比かつリーン空燃比で燃焼が行われるため、失火やエミッションの悪化を招いてしまう。
【００４２】
なお、圧縮比を迅速に変更することは、通常、困難である。大型のアクチュエータを用いれば、運転条件の変化に伴って、圧縮比を迅速に変更することができる。しかしながら、大型のアクチュエータを駆動するためには、大きなエネルギが必要となり、この結果、燃料消費率が悪化してしまう。
【００４３】
そこで、本実施例では、運転モードを変更する際の手順を工夫することによって、ノッキングなどの異常燃焼の発生と出力トルクの急激な増大とを抑制している。具体的には、運転モードを変更する際に、圧縮比を比較的長い期間を経て変化させると共に、吸気弁の動作を工夫することによって吸入空気量を調整している。
【００４４】
なお、本実施例では、吸入空気量の調整は、吸気弁の位相を変更することによって実現される。この説明から分かるように、本実施例の可変動弁機構２５は、可変バルブタイミング方式を採用している。この方式では、カムの位相を変更することによって、吸気弁２１の開閉タイミングが変更される。
【００４５】
図５は、本実施例における運転モード変更時の処理手順を示すフローチャートである。ただし、図５は、運転モード変更時におけるステップＳ１０２（図２）の具体的な処理を、空燃比および圧縮比の変更に注目して示している。すなわち、図５の処理は、図２のステップＳ１０１において要求トルクの増大が検出され、ステップＳ１０２において運転モードを変更する場合に実行される。
【００４６】
図６は、本実施例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。図６（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図４（ａ）〜（ｆ）に対応する。図６（ｇ）は、吸気弁の位相の変化を示している。なお、図６（ａ），（ｂ）は図４（ａ），（ｂ）と同じである。
【００４７】
図５のステップＳ２０１では、まず、混合気の空燃比が、リーン空燃比から理論空燃比へステップ状に変更される。これは、図６（ｇ）に示すように、吸気弁の位相をステップ状に遅角側に変更することによって実現される。具体的には、吸気弁の位相を変更することによって、吸入空気量がステップ状に低下し（図６（ｃ））、この結果、混合気の空燃比が理論空燃比に設定される。すなわち、本実施例では、空燃比の変更時には、図６（ｄ）に示すように燃料供給量は変更されていない。また、空燃比の変更時には、図６（ｅ）に示すように圧縮比も変更されていない。このため、空燃比の変更直後には、比較的高い高圧縮比かつ理論空燃比で燃焼が実行されることになる。しかしながら、このとき、吸入空気量の低下に伴って、混合気量が低下している。このため、空燃比の変更時において、ノッキングなどの異常燃焼の発生と、空燃比の急激な低下に伴う出力トルクの急激な増大とが、抑制される。
【００４８】
図５のステップＳ２０２では、図６（ｅ）に示すように、圧縮比を次第に低下させる。また、ステップＳ２０３では、混合気量を次第に増大させる。具体的には、吸気弁の位相を次第に進角側へシフトさせることによって（図６（ｇ））、吸入空気量を次第に増大させる（図６（ｃ））。そして、混合気の空燃比が理論空燃比に維持されるように、燃料供給量を次第に増大させる（図６（ｄ））。このように、混合気の空燃比が理論空燃比に維持されたまま、圧縮比を次第に低下させると共に混合気量を次第に増大させれば、圧縮比の変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる（図６（ｆ））。
【００４９】
本実施例では、ステップＳ２０２，Ｓ２０３の処理は、ほぼ同時に終了するように設定されている。具体的には、ステップＳ２０２の処理は、圧縮比が所定期間Ｔｂを経て目標圧縮比に到達するように、実行される。また、ステップＳ２０３の処理は、吸気弁の位相が所定期間Ｔｂを経て運転モード変更前の位相に戻るように、実行される。所定期間Ｔｂは、例えば、要求トルクの単位時間あたりの変化量に基づいて決定されていればよい。すなわち、該変化量が比較的大きい程、要求トルクが比較的迅速に増大していると判断できるため、所定期間を比較的短く設定すればよい。あるいは、所定期間Ｔｂは、要求トルクの単位時間あたりの変化量に関わらず、一定の期間に設定されていてもよい。
【００５０】
なお、期間Ｔｂにおける点火時期の制御は、現行圧縮比に適したタイミングで実行されることが好ましい。期間Ｔｂにおける現行圧縮比は、例えば、アクチュエータ３３に対する制御量から求められる。
【００５１】
図７は、図６の各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける吸気弁の具体的な動作を示す説明図である。なお、図７では、吸気弁２１の動作と共に、排気弁２２の動作も示されている。リフト量の変化から分かるように、排気弁２２は、排気行程において開状態に設定され、吸気弁２１は、吸入行程において開状態に設定される。期間Ｔａにおける吸気弁の動作は曲線Ｖ１ａで表され、期間Ｔｃにおける吸気弁の動作は曲線Ｖ１ｃで表される。なお、曲線Ｖ１ａと曲線Ｖ１ｃとは、同じである。そして、期間Ｔｂにおける吸気弁の動作は、曲線Ｖ１ｂで表される。具体的には、期間Ｔｂにおける吸気弁の位相は、まず、曲線Ｖ１ａからステップ状に遅角側に変更され、その後に、次第に進角側に変更されて曲線Ｖ１ｃに至る。
【００５２】
図示するように、各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける作動角（すなわち吸気弁が開いている期間）は等しく設定されているが、期間Ｔａ，Ｔｃにおける開閉タイミングと期間Ｔｂにおける開閉タイミングとは異なっている。より具体的には、期間Ｔｂでは、吸気弁の開閉タイミングは、期間Ｔａ，Ｔｃにおける開閉タイミングよりも遅角側に設定されている。このとき、期間Ｔｂにおける吸気弁の閉タイミングと下死点との角度差は、期間Ｔａ，Ｔｃにおける吸気弁の閉タイミングと下死点との角度差よりも、大きく設定される。すなわち、図７に示すように吸気弁の位相を変更することによって、期間Ｔｂにおける実圧縮比を、期間Ｔａ，Ｔｃにおける実圧縮比よりも低く設定することができる。なお、実圧縮比は、吸気弁の閉タイミングを基準とする容積比を意味しており、吸気弁の閉タイミングにおける燃焼室の容積Ｖｍと、ピストンが上死点に位置するときの燃焼室の最小容積Ｖｔとを用いて、Ｖｍ／Ｖｔで表される。
【００５３】
上記のように吸気弁の位相を変更することによって、換言すれば、実圧縮比を変更することによって、期間Ｔｂ，Ｔｃにおけるスロットル開度が同じであるにも関わらず（図６（ａ））、期間Ｔｂの始期における吸入空気量を、期間Ｔａにおける吸入空気量よりも小さく設定することができると共に、期間Ｔｂにおいて、吸入空気量を次第に増大させることができる（図６（ｃ））。また、期間Ｔｂにおける実圧縮比は比較的低く設定されるため、圧縮行程において燃焼室内の混合気が強い圧縮を受けずに済む。これにより、期間Ｔｂにおいて発生し得るノッキングなどの異常燃焼をより確実に抑制することが可能となる。
【００５４】
以上説明したように、本実施例の構成を採用すれば、運転モード変更期間の始期において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクの急激な増大を抑制することができる。また、空燃比低下後の運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を抑制することができると共に、出力トルクを次第に増大させることができる。
【００５５】
なお、本実施例では、期間Ｔａにおける吸気弁の位相と期間Ｔｃにおける吸気弁の位相とは、ほぼ同じ位相に設定されているが、異なる位相に設定されていてもよい。
【００５６】
また、本実施例では、期間Ｔｂにおいて、吸気弁２１の位相を遅角側にシフトさせることによって実圧縮比を低下させているが、これに代えて、吸気弁の位相を進角側にシフトさせることによって、より具体的には、吸気弁の閉タイミングを下死点よりも前に設定することによって、実圧縮比を低下させるようにしてもよい。
【００５７】
一般には、吸気弁の閉タイミングを変更することによって、運転モード変更期間の始期における実圧縮比を運転モード変更前の実圧縮比よりも低く設定し、運転モード変更期間中における実圧縮比を、圧縮比の低下に伴って、次第に増大するように設定すればよい。
【００５８】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５９】
（１）上記実施例では、空燃比低下後の運転モード変更期間中における圧縮比の変更および混合気量の変更（図５のステップＳ２０２，Ｓ２０３）は、ほぼ同時に終了するように設定されているが、２つの処理の終了時期は、ずれていてもよい。ただし、上記実施例のようにすれば、空燃比低下後の運転モード変更期間中において、ノッキングなどの異常燃焼の発生を確実に抑制することができると共に、出力トルクを滑らかに増大させることができるという利点がある。
【００６０】
一般には、空燃比をステップ状に低下させた後の運転モード変更期間中において、圧縮比を次第に低下させると共に、吸入空気量および燃料供給量を次第に増大させればよい。
【００６１】
（２）上記実施例では、運転モード変更期間の始期における空燃比の変更は、吸入空気量のみを変更することによって実現されているが、これに代えて、吸入空気量と共に燃料供給量を変更するようにしてもよい。例えば、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量の変化量（低下量）をやや小さく設定すると共に、燃料供給量をやや増大させるようにしてもよい。逆に、運転モード変更期間の始期において、吸入空気量の変化量（低下量）をやや大きく設定すると共に、燃料供給量をやや低下させるようにしてもよい。このようにしても、運転モード変更期間の始期において、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比へ変更することができる。ただし、上記実施例のようにすれば、ノッキングなどの異常燃焼の発生や、出力トルクの急激な増大をより抑制することができるという利点がある。
【００６２】
また、上記実施例では、空燃比は、運転モード変更期間の始期において、リーン空燃比から理論空燃比へステップ状に変更され、その後、理論空燃比のまま維持されている。しかしながら、これに代えて、空燃比をステップ状に低下させた後の運転モード変更期間中に、空燃比を次第に変更するようにしてもよい。例えば、運転モード変更期間の始期において、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へステップ状に変更し、その後の運転モード変更期間中において、空燃比をリッチ空燃比から理論空燃比へ次第に変更するようにしてもよい。
【００６３】
一般には、運転モード変更期間の始期において、少なくとも吸入空気量を調整することによって、空燃比をステップ状に低下させればよい。
【００６４】
（３）上記実施例では、圧縮比は予め定められた２つの値（図３）のうちのいずれかに設定可能であるが、予め定められた３つ以上の値のうちのいずれかに設定可能であってもよい。また、圧縮比は、予め定められた最大値と最小値との間で連続的に設定可能であってもよい。
【００６５】
また、上記実施例では、第２の運転モードの空燃比は理論空燃比に設定されているが、これに代えて、例えば、リッチ空燃比に設定されていてもよい。
【００６６】
一般には、内燃機関は、比較的高い圧縮比かつ比較的高い空燃比で運転を実行する第１の運転モードと、比較的低い圧縮比かつ比較的低い空燃比で運転を実行する第２の運転モードと、を有していればよい。
【００６７】
（４）上記実施例では、圧縮比は、上部ブロック３１を下部ブロック３２に対して上下方向に移動させることによって変更されているが、他の方法で変更されてもよい。
【００６８】
一般には、圧縮比変更部は、燃焼室を含み、燃焼室の容積を変更することによって、より具体的には、燃焼室の最大容積と最小容積とのうちの少なくとも一方を変更することによって、圧縮比を変更すればよい。
【００６９】
（５）上記実施例の可変動弁機構２５は、カムの位相を変更可能な可変バルブタイミング方式を採用しているが、他の方式を採用するようにしてもよい。例えば、カムの位相およびリフト量を変更可能な可変バルブタイミング・リフト方式や、カムのリフト量のみを変更可能な可変バルブリフト方式、カムの作動角のみを変更可能な可変バルブ作動角方式などを採用可能である。
【００７０】
また、上記実施例では、吸気弁の動作は、カムを有する可変動弁機構によって制御されているが、これに代えて、ソレノイドコイルを有する電磁駆動機構によって制御されていてもよい。こうすれば、吸気弁の位相や、リフト量、作動角などを任意に変更することができるという利点がある。
【００７１】
また、上記実施例では、吸気弁の動作を変更することによって、吸入空気量が調整されているが、これに代えて、あるいは、これと共に、排気弁の動作を変更することによって、吸入空気量が調整されるようにしてもよい。
【００７２】
一般には、可変動弁系は、弁を含み、弁の動作を調整することによって燃焼室内に吸入される吸入空気量を調整可能であればよい。
【００７３】
（６）上記実施例では、エンジンは車両に搭載されているが、船舶などの移動体に搭載されていてもよい。また、定置式の装置に搭載されていてもよい。
【００７４】
一般には、本発明は、圧縮比変更部を備える内燃機関に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガソリンエンジン１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】 エンジンの制御の概要を示すフローチャートである。
【図３】 運転条件に応じた目標圧縮比および目標空燃比を示すマップを模式的に示す説明図である。
【図４】 比較例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。
【図５】 本実施例における運転モード変更時の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】 本実施例における運転モード変更時の制御内容を模式的に示す説明図である。
【図７】 図６の各期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにおける吸気弁の具体的な動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン本体
２０…シリンダヘッド
２１…吸気弁
２２…排気弁
２３…吸気ポート
２４…排気ポート
２５…可変動弁機構
２６…動弁機構
２７…点火プラグ
３０…シリンダブロック
３１…上部ブロック
３２…下部ブロック
３３…アクチュエータ
４１…ピストン
４２…コネクティングロッド
４３…クランクシャフト
５０…吸気管
５１…エアクリーナ
５２…スロットル弁
５３…電動アクチュエータ
５５…燃料噴射弁
５６…吸気圧センサ
５８…排気管
６０…ＥＣＵ
６１…クランク角センサ
６２…アクセル開度センサ
１００…エンジン
Claims (3)
- 内燃機関であって、
燃焼室を含み、前記燃焼室の容積を変更することによって圧縮比を変更するための圧縮比変更部と、
弁を含み、前記弁の動作を調整することによって前記燃焼室内に吸入される吸入空気量を調整可能な可変動弁系と、
前記燃焼室に燃料を供給するための燃料供給部と、
前記内燃機関の運転条件を検出し、検出結果に応じて前記圧縮比変更部と前記可変動弁系と前記燃料供給部とを制御するための制御部と、
を備え、
前記内燃機関は、火花点火による燃焼が行われ、比較的高い圧縮比かつ比較的高い空燃比で運転を実行する第１の運転モードと、火花点火による燃焼が行われ、比較的低い圧縮比かつ比較的低い空燃比で運転を実行する第２の運転モードと、を有し、
前記制御部は、
前記検出結果に応じて前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ変更する場合に、
（ｉ）少なくとも前記可変動弁系を制御して、運転モード変更期間の始期における吸入空気量が運転モード変更前の吸入空気量よりも小さくなるように、前記弁の動作を調整し、この結果、運転モード変更期間の始期において、空燃比をステップ状に低下させ、
（ｉｉ）空燃比低下後の運転モード変更期間中に、前記圧縮比変更部を制御して、圧縮比を次第に低下させ、この際、前記可変動弁系を制御して、吸入空気量が次第に増大するように、前記弁の動作を調整すると共に、前記燃料供給部を制御して、燃料供給量を次第に増大させることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記比較的高い空燃比は、理論空燃比よりも大きく設定されており、
前記比較的低い空燃比は、理論空燃比とほぼ等しく設定されている、内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記弁は、吸気弁であり、
前記制御部は、前記吸気弁の閉タイミングを変更することによって、前記吸気弁の閉タイミングにおける前記燃焼室の容積と、前記燃焼室の最小容積と、の比で表される実圧縮比を変更可能であり、
運転モード変更期間の始期における実圧縮比は、運転モード変更前の実圧縮比よりも低く設定され、
運転モード変更期間中における実圧縮比は、前記燃焼室の最大容積と前記燃焼室の最小容積との比で表される圧縮比の低下に伴って、次第に増大するように設定される、内燃機関。
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