JP4416377B2

JP4416377B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4416377B2
Application number: JP2002140874A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 信一竹村; 孝伸杉山; 亮介日吉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: DE60306032D1; EP1363002B1; US6691655B2; JP2003328794A; EP1363002A1; DE60306032T2; US20030213451A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構、さらには吸気弁のリフト・作動角およびリフト中心角の可変制御手段などを備えた内燃機関の制御装置に関し、さらに詳しくは、火花点火式ガソリン機関における暖機促進技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している（例えば特開２００２−２１５９２号公報）。この種の可変圧縮比機構は、内燃機関の機械的な圧縮比つまり公称圧縮比を変化させるものであり、一般に、部分負荷時には、熱効率向上のために高圧縮比に制御され、高負荷時には、ノッキング回避のために低圧縮比に制御される。
【０００３】
また本出願人は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能な可変動弁機構を提案しており、さらに、リフトの中心角の位相を遅進させる機構と組み合わせて、リフト特性の大幅な自由度を得るようにした可変動弁機構を提案している（例えば特開２００２−８９３０３号公報、特開２００２−８９３４１号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
周知のように内燃機関の排気系には、酸化還元触媒あるいは酸化触媒もしくは還元触媒からなる排気浄化触媒が設けられているが、今日の進化した触媒技術をもってしても、触媒温度が低い機関冷機始動直後においては、機関から排出されるガスに対する触媒の効果は、暖機後に比べて大幅に制限されるのが現状である。この問題は当業者には古くから認識されており、触媒の活性化温度を下げる努力が継続的になされているとともに、二次空気を触媒の上流に導入して、化学的に活性化の時期を早める工夫なども行われている。
【０００５】
しかしながら、基本はやはり触媒の転換作用が開始する温度に如何に早く到達するかであり、これを目的とした暖機中の点火時期の遅角制御（燃焼開始時期が遅れることによって排気温度が上昇する）による触媒温度上昇は、燃費性能等に悪影響があるにも拘わらず、広く行われている。しかし、点火時期の遅角のみによる排気温度の上昇には自ずから限界がある。
【０００６】
一方、内燃機関の膨張比（排気弁開時期のシリンダ容積／上死点でのシリンダ容積）に着目すると、燃焼ガスの有効仕事を最大とする場合には、膨張比は高いほど良いが、触媒早期活性化などのために排気温度を高めたい場合には、膨張比を低くし、燃焼ガスのエネルギが仕事に変換される割合を低下させれば、排気温度が上昇する。ここで、排気弁の開時期を早めても膨張途中の燃焼ガスを早期に排出することができるため、排気温度上昇の効果はあるが、この場合、圧力の高い状態で排気弁から燃焼ガスを流出させるため、排気弁周辺の熱伝達によって相当の熱量が奪われることもあり、排気温度は効率良く上昇しない。
【０００７】
そこで、本発明は、機関冷機時に可変圧縮比機構を利用して機関の幾何学的な膨張比を低下させ、かつ同時に点火時期の遅角を行って、排気温度を効果的に上昇させることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、内燃機関の幾何学的な膨張比の可変制御により、さらには、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）や閉時期（ＩＶＣ）の可変制御を組み合せることにより、冷機時の始動からその後の加速、定常運転など、触媒の暖機に至るまでのあらゆる運転条件において、排気温度の大幅な上昇と運転性の両立を可能にできるような連続的な燃焼改良制御を可能とし、これと点火時期の大幅な遅角制御とを組み合せて、最適に制御することにより、燃費の悪化や失火等による排気の悪化を抑制しつつ触媒の早期昇温を可能とした点にある。
【０００９】
請求項１に係る発明は、ピストン上死点位置を変化させて機関圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、点火時期を制御する点火時期制御手段と、機関回転数および負荷を検出する手段と、機関の暖機状態を検出する手段と、を備えた火花点火式内燃機関において、検出された機関回転数および負荷と暖機状態とに対応して、上記機関圧縮比を制御するとともに、機関冷機時には、点火時期をＭＢＴ点（最大トルクのための最小進角位置）から遅角させ、かつ同一の回転数および負荷の暖機時に比較して上記可変圧縮比機構によりピストン上死点位置を下げるようにしたことを特徴としている。なお、上記ＭＢＴ点は、最良効率を与える点火時期に相当する。
【００１０】
可変圧縮比機構を用いてピストン上死点位置を下げることにより、ピストン上死点から排気弁開時期に至るまでの膨張比が低下する。このように膨張比が低下すると、燃焼の効率が低下し、排気温度が上昇する。従って、点火時期の大幅な遅角（リタード）と組み合わせることにより、排気温度が効果的に上昇する。
【００１１】
ここで望ましくは、請求項２のように、機関冷機時には、吸気弁閉時期が排気弁開時期よりも下死点近くに設定され、実圧縮比が膨張比よりも高い。ピストン上死点位置を下げて膨張比を低下させると、上死点付近での温度が低下することになるが、吸気弁閉時期を下死点寄りとし、実圧縮比をなるべく高めることにより、上死点付近での温度低下ひいては燃焼悪化を補うことができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構をさらに備え、機関回転数および負荷に対応して、吸気弁のリフト・作動角を連続的に制御するとともに、機関冷機時には、吸気弁のリフト・作動角が小となるように制御することを特徴としている。
【００１３】
吸気弁の低リフト時には、開口面積の減少に伴い、吸気流速は増大する。そのため、冷機時の燃焼が改善され、点火時期の大幅なリタード、排気温度上昇が可能である。特に吸気弁とシート間はノズル効果（最小絞り部）があるため、吸気ポートに噴射された燃料の霧化の促進に特に効果が大である。
【００１４】
また請求項４に係る発明は、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構をさらに備え、機関冷機時には、上記吸気弁のリフト中心角を遅角させて、吸気弁開時期が吸入上死点よりも遅れるように制御することを特徴としている。
【００１５】
吸気弁開時期（ＩＶＯ）を吸入上死点よりも遅角すると、吸入行程に入っても初期には吸気が供給されないため、筒内の負圧は急速に増大する。さらにピストン速度は行程中央が最大であり、上死点から行程中央までは単調に増大する特性であるから、吸気弁開時期を遅らせると、開弁した時の吸気流速は大となる。筒内の負圧の増大はポンプ損失の増大となるが、ここではそれが運動エネルギの増加ひいては吸気温度の上昇に変わることになるわけである。吸気流速の増大は、吸気ポートに噴射された燃料の霧化の促進にも効果大である。また、燃焼速度そのものも、吸気の乱れ度合いに対応して増大するため、その分点火時期を遅くできる効果がある。
【００１６】
ここで、請求項５のように、吸気弁のリフト・作動角が小さい条件では、吸気弁閉時期と下死点との間の余裕が大きくなるので、上記吸気弁のリフト中心角の遅角を増加させることが望ましい。
【００１７】
また、請求項６のように、点火時期のＭＢＴ点からの遅角度合いは、機関負荷の増大に応じて漸次縮小することが望ましい。
【００１８】
請求項７の発明では、内燃機関の排気系に排気浄化触媒が設けられており、機関暖機状態を検出する手段として、上記排気浄化触媒の温度を検知する手段を備えている。
【００１９】
あるいは、請求項８のように、機関暖機状態を検出する手段として、機関冷却水の温度を検知するセンサを備えるようにしてもよい。
【００２０】
上記位相可変機構は、例えば請求項９のように、チェーンまたはタイミングベルトを介して上記クランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットと、このカムスプロケットにより回転駆動されるカムシャフトと、上記カムスプロケットと上記カムシャフトとの位相を変化させる機構と、を含んで構成される。
【００２１】
また上記リフト・作動角可変機構は、例えば請求項１０のように、駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸気弁のタペットを押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより吸気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されたものを用いることができる。
【００２２】
上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備えた複リンク式ピストン−クランク機構からなり、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで公称圧縮比の可変制御を行う構成のものである。すなわち、第３リンクの支点位置の変化に伴って、ピストン上死点でのピストン位置が変化し、公称圧縮比εならびに膨張比が変化する。
【００２３】
ここで、上死点付近でのピストン最大加速度が下死点付近でのピストン最大加速度以下となる特性に上記複リンク式ピストン−クランク機構のリンク構成が設定されている。これは、クランクシャフトの回転に対するピストンの往復運動が、単振動運動に近いストローク特性となることを意味する。このように単振動運動に近いストローク特性とすれば、騒音振動の点で有利となるのは勿論であるが、特に、上死点付近のピストン速度が、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構に比べて、２０％程度緩やかとなる。これは、特に、冷機時のような燃焼速度が遅い条件下において、初期の火炎核が生成され、かつ成長していく上で、時間余裕が大きく与えられることになり、燃焼を安定させる上で効果がある。
【００２４】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の制御装置によれば、膨張比の低下と点火時期の遅角制御とを組み合わせることにより、冷機時に、排気温度の大幅な上昇と運転性との両立が可能となり、排気系に設けられた排気浄化触媒の早期活性化ひいては排気浄化性能の向上を達成できる。また同時に、燃費の悪化を最小限とし、かつ失火等による排気の悪化を基本的に回避することができる。
【００２５】
特に、吸気弁のリフト・作動角可変機構や位相可変機構と組み合わせた構成によれば、膨張比の可変制御に加えて、実圧縮比をも制御することができ、さらには、吸気弁開時期や吸気弁閉時期、筒内のガス流動に影響するリフト量、等を種々の運転条件に対し最適化することができ、膨張比の低下による燃焼悪化を回避しつつ触媒暖機のための点火時期の十分な遅角が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、吸気弁開閉時期を可変制御するための可変動弁機構１０１と、内燃機関の公称圧縮比εを可変制御する圧縮比可変機構１０２と、点火時期を制御する点火進角制御装置１０３と、排気系に設けられた排気浄化触媒１０４と、を備えている。
【００２８】
図２は、上記可変動弁機構１０１の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁１２のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２と、が組み合わされて構成されている。
【００２９】
まず、図３の動作説明図を併せて、リフト・作動角可変機構１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、位相可変機構２とともに上記の特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００３０】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド５１上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、この駆動軸１３に、圧入等により固定された偏心カム１５と、上記駆動軸１３の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸１３と平行に配置された制御軸１６と、この制御軸１６の偏心カム部１７に揺動自在に支持されたロッカアーム１８と、各吸気弁１２の上端部に配置されたタペット１９に当接する揺動カム２０と、を備えている。上記偏心カム１５とロッカアーム１８とはリンクアーム２５によって連係されており、ロッカアーム１８と揺動カム２０とは、リンク部材２６によって連係されている。
【００３１】
上記駆動軸１３は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００３２】
上記偏心カム１５は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸１３の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム２５の環状部２５ａが回転可能に嵌合している。
【００３３】
上記ロッカアーム１８は、略中央部が上記偏心カム部１７によって支持されており、その一端部に、上記リンクアーム２５の延長部２５ｂが連係しているとともに、他端部に、上記リンク部材２６の上端部が連係している。上記偏心カム部１７は、制御軸１６の軸心から偏心しており、従って、制御軸１６の角度位置に応じてロッカアーム１８の揺動中心は変化する。
【００３４】
上記揺動カム２０は、駆動軸１３の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部２０ａに、上記リンク部材２６の下端部が連係している。この揺動カム２０の下面には、駆動軸１３と同心状の円弧をなす基円面２４ａと、該基円面２４ａから上記端部２０ａへと所定の曲線を描いて延びるカム面２４ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面２４ａならびにカム面２４ｂが、揺動カム２０の揺動位置に応じてタペット１９の上面に当接するようになっている。
【００３５】
すなわち、上記基円面２４ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、図３に示すように、揺動カム２０が揺動してカム面２４ｂがタペット１９に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００３６】
上記制御軸１６は、図１，２に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第１油圧制御部３２によって制御されている。
【００３７】
このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸１３が回転すると、偏心カム１５のカム作用によってリンクアーム２５が上下動し、これに伴ってロッカアーム１８が揺動する。このロッカアーム１８の揺動は、リンク部材２６を介して揺動カム２０へ伝達され、該揺動カム２０が揺動する。この揺動カム２０のカム作用によって、タペット１９が押圧され、吸気弁１２がリフトする。
【００３８】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１を介して制御軸１６の角度が変化すると、ロッカアーム１８の初期位置が変化し、ひいては揺動カム２０の初期揺動位置が変化する。
【００３９】
例えば偏心カム部１７が図３（Ａ）のように上方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として上方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９から離れる方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、基円面２４ａが長くタペット１９に接触し続け、カム面２４ｂがタペット１９に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００４０】
逆に、偏心カム部１７が図３（Ｂ）のように下方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として下方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９に近付く方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、タペット１９と接触する部位が基円面２４ａからカム面２４ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００４１】
上記の偏心カム部１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図４に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１２の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００４２】
次に、位相可変機構２は、図２に示すように、上記駆動軸１３の前端部に設けられたスプロケット３５と、このスプロケット３５と上記駆動軸１３とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ３６と、から構成されている。上記スプロケット３５は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第２油圧制御部３７によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧制御によって、スプロケット３５と駆動軸１３とが相対的に回転し、図５に示すように、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構２としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４３】
なお、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【００４４】
図６は、可変圧縮比機構１０２の構成を示す図である。
【００４５】
クランクシャフト５１は、複数のジャーナル部５２とクランクピン部５３とを備えており、シリンダブロック５０の主軸受に、ジャーナル部５２が回転自在に支持されている。上記クランクピン部５３は、ジャーナル部５２から所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアリンク５４が回転自在に連結されている。
【００４６】
上記ロアリンク５４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン部５３が嵌合している。
【００４７】
第１リンクとなるアッパリンク５５は、下端側が連結ピン５６によりロアリンク５４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン５７によりピストン５８に回動可能に連結されている。上記ピストン５８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック５０のシリンダ５９内を往復動する。なお、上記シリンダ５９の上部に、上記吸気弁１２および図示せぬ排気弁が配置されている。
【００４８】
第３リンクとなるコントロールリンク６０は、上端側が連結ピン６１によりロアリンク５４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸６２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック５０の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸６２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部６２ａを有し、この偏心カム部６２ａに上記コントロールリンク６０下端部が回転可能に嵌合している。
【００４９】
上記制御軸６２は、エンジンコントロールユニット３３（図１参照）からの制御信号に基づき、電動モータを用いた圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動位置が制御される。
【００５０】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構１０２においては、上記制御軸６２が圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動されると、偏心カム部６２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク６０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク６０の揺動支持位置が変化すると、ピストン５８の行程が変化し、図８のように、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン５８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。図８は、高圧縮比状態と低圧縮比状態とを代表的に示しているが、これらの間で圧縮比を連続的に変化させることができる。
【００５１】
また、上記の複リンク式可変圧縮比機構１０２においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、図７に示すような単振動に近いピストンストローク特性が得られる。この単振動に近いストローク特性は振動騒音の上でも有利ではあるが、特に、上死点付近のピストン速度が、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構に比べて、２０％前後緩やかとなる。これは、前述したように、特に冷機時のような燃焼速度が遅い条件下で、初期の火炎核の生成、成長の上で有利となる。
【００５２】
なお、ピストン運動を単振動運動に近づけるための具体的なリンク構成の一例は下記の通りである。
【００５３】
まず図９（ａ）に示すように、クランクシャフト５１の回転中心（ジャーナル部５２の軸心）Ｏを原点とし、ピストンピン５７及びその往復軸線ｌと直交する方向（スラスト−反スラスト方向）と平行にｘ軸をとり、ピストンピン５７の往復軸線ｌと平行にｙ軸をとり、かつ、クランクシャフト５１の回転方向を反時計回り方向と定義した場合、ピストンピン５７の軸心Ｏｃを通る往復軸線（≒シリンダ５９の軸線）ｌのｘ座標が負の値となり、コントロールリンク６０の揺動中心となる偏心カム部６２ａの軸心Ｏａのｘ座標が正の値となるように設定されている。
【００５４】
そして、図９（ｂ）のように、
クランクシャフト５１の軸心Ｏとクランクピン部５３の軸心Ｏｅとの距離をＬ１；
クランクピン部５３の軸心Ｏｅと、ロアリンク５４とコントロールリンク６０とを相対回転可能に連結する連結ピン６１の軸心Ｏｆと、の距離をＬ２；
コントロールリンク６０のリンク長をＬ３；
クランクピン部５３の軸心Ｏｅと、アッパリンク５５とロアリンク５４とを相対回転可能に連結する連結ピン５６の軸心Ｏｄと、の距離をＬ４；
上記軸心Ｏｆと軸心Ｏｄとの距離をＬ５；
アッパリンク５５のリンク長をＬ６；
コントロールリンク６０の揺動軸心Ｏａの座標位置を（ＸＣ，ＹＣ）；
ピストンピン５７の往復軸線ｌのｘ座標をｘ４；
と定義した場合、以下の比が成立するように設定されている。
【００５５】
【数１】
Ｌ１：Ｌ２：Ｌ３：Ｌ４：Ｌ５：Ｌ６：ＸＣ：ＹＣ：ｘ４
≒１：２．４：２．６５〜３．５：０．６９：３．０〜３．４：３．３〜３．５５：３．２〜３．５５：−２〜−１．３５：−１〜−０．６
なお、ＸＣ，ＹＣは制御軸６２の回動位置によって変化するが、制御軸６２の回動位置が制御範囲内にあるときは、常に上記の比が成立するように設定されている。
【００５６】
このようなリンク構成とすれば、ピストン運動が単振動運動に近似し、上死点付近のピストン運動が緩やかなものとなる。
【００５７】
上記可変圧縮比機構１０２による圧縮比の制御特性を図１０に示す。なお、この圧縮比は、ピストン５８のストロークによる燃焼室の容積変化のみで決まる幾何学的な圧縮比εである。可変動弁機構１０１と組み合わせた本発明では、最終的な実圧縮比は、吸気弁閉時期の制御によって左右される。つまり、吸気行程の半ばに吸気弁１２が閉じた場合、下死点に関して対称なクランク角位置から圧縮が実質的に開始することになるため、公称圧縮比εが高くても、吸気弁閉時期が下死点よりも早くなると実圧縮比は低下することになる。また、この図示の特性は、暖機後の制御特性であり、冷機時には、点火時期のリタードとともに、膨張比の低下制御が実行され、従って、圧縮比εは図示の特性よりも低くなる。
【００５８】
図１１は、代表的な運転条件下での可変動弁機構１０１による吸気弁開閉時期の制御を示す。なお、それぞれに対応する点を図１０に付記してある。ここで▲１▼〜▲４▼は、本発明が課題とする冷機時の特性であり、▲５▼のみが参考のための暖機後の特性である。また▲１▼の冷機起動時の特性は、暖機後のアイドル時の特性と同一である。この機関の温度状態は、図１に示すように、内燃機関の例えばシリンダブロック５０に設けた水温センサ１０５、あるいは排気浄化触媒１０４に設けた触媒温度センサ１０６、の一方もしくは双方に基づいて判断される。
【００５９】
図示するように、▲１▼冷機起動時には、小作動角とするとともにリフト中心角Φを遅角し、吸気弁閉時期が下死点より僅かに早い特性とする。吸気弁閉時期が下死点付近にあることで、実圧縮比の低下は生じない。起動後の▲２▼冷機ハイアイドル時や▲３▼冷機定常走行時には、吸気弁開時期がなるべく遅くなるように、小作動角のままリフト中心角Φをさらに遅角させる。吸気弁閉時期は、下死点後となるが、やはり下死点付近に維持されるので、膨張比が低下しても、実圧縮比の低下は最小となる。また吸気行程の半ばで吸気弁が開くことにより、吸気流速のエネルギが大となり、これによる吸気温度の上昇もあるので、膨張比を低下させていても、混合気の圧縮温度は十分に高い状態を維持できる。なお、点火時期は、触媒暖機のために遅角制御され、燃焼状態にもよるが、冷機ハイアイドル時において、点火時期の遅角度合いは、最大限となる。▲４▼冷機加速時には、吸気充填効率を高める必要から、作動角が拡大し、吸気弁開時期が進角する。吸気弁閉時期は下死点後となる。▲５▼暖機後の定常走行時は、負圧発生を避けるために吸気弁開時期は上死点に設定され、かつ吸気弁閉時期は下死点よりも相当に進角した位置となる。このようにすると、実圧縮比は低下するが、暖機後は公称圧縮比εが高く設定されるので、燃焼の悪化を伴わずに、有効なポンプ損失低減効果が得られる。
【００６０】
図１２は、冷機時の排気温度や未燃ＨＣに与える吸気弁作動特性ならびに圧縮比（膨張比）の影響をまとめたものである。ここでは、排温上昇効果を矢印で示しており、上向きの矢印が排温上昇に寄与することを表し、下向きの矢印は、排温上昇を阻害することを意味している。また、図１２には、点火時期のリタード限界が拡大方向となるか縮小方向となるかを同時に記してあるが、ここでは、排温の上昇効果の評価は、点火時期を限界までリタードすることを前提としている。以下、各項目を説明する。
【００６１】
（１）吸気弁開時期（ＩＶＯ）の遅角（上死点からの遅角）
この場合、吸入行程に入っても初期には吸気が供給されないため、筒内の負圧は急速に増大する。さらにピストン速度は行程中央が最大であり、上死点から行程中央までは単調に増大する特性であるから、吸気弁開時期を遅らせると、開弁したときの吸気流速は大となる。筒内の負圧の増大はポンプ損失の増大となるが、ここではそれが吸気温度の上昇に変わることになる。吸気流速の増大は、吸気ポートに噴射された燃料の霧化の促進にも効果大である。また、燃焼速度そのものも、吸気の乱れ度合いに対応して増大するため、その分点火時期を遅くできる効果がある。
【００６２】
（２）吸気弁の低リフト化
低リフト時は開口面積が減少した分、吸気流速は増大する。特に吸気弁とシート間はノズル効果（最小絞り部）があるため、吸気ポートに噴射された燃料の霧化の促進に特に効果大であり、未燃ＨＣが低減する。
【００６３】
（３）吸気弁閉時期（ＩＶＣ）の遅角（下死点からの遅角）
吸気弁閉時期を下死点より遅角させることにより、実圧縮比が低下する。これは筒内に吸入された混合気が、圧縮行程初期に再び逆流するためである。当然ながら、充填効率の低下も伴うため、吸入負圧も低下する。実圧縮比の低下は圧縮時の混合気温度低下につながるため、燃焼速度が遅くなり、点火時期のリタードは制約を受ける。
【００６４】
さらに吸入負圧の低下は燃料の気化の悪化を招くため、これも燃焼速度の低下となって現われ、未燃ＨＣは増加する。
【００６５】
（４）吸気弁閉時期（ＩＶＣ）の進角（下死点からの進角）
吸気弁閉時期を下死点よりも進角させると、前述の吸気弁閉時期の遅角と同様に、実圧縮比の低下を招く。現象としては、吸気弁閉時期の遅角とは異なり、筒内に吸入された混合気が、吸気弁が閉じた以後、下死点まで断熱膨張するため、下死点での混合気温度が低下することによる。当然ながら、充填効率の低下も伴うため、吸入負圧も低下する。従って燃料の気化の悪化を招き、未燃ＨＣが増加するとともに、燃焼速度が低下し、点火時期のリタードは制約を受ける。
【００６６】
（５）吸気弁閉時期を下死点に近づけた場合
この場合は上記（３），（４）とは逆に、実圧縮比は上昇し、吸入負圧も上昇するため、燃焼温度は上昇し、点火時期のリタード限界は拡大する。
【００６７】
（６）圧縮比εを高めた場合
圧縮比εを高くすると、上死点付近の温度が上昇するため、点火時期をリタードしても良好な燃焼が確保できる。但し、膨張比が増大するため、大幅に圧縮比を高めた場合は、排気温度は低下する。
【００６８】
（７）圧縮比εを下げた場合
圧縮比εを低くすると膨張比が低下するため、排気温度はその分大幅に上昇する。但し、上死点付近での温度も低下するため、燃焼の改善が必要となる。燃焼速度が遅くなると、点火時期リタードは制限を受けるが、前述した単振動に近いピストンストローク特性の場合、リタード限界が大きくなるので、燃焼速度の低下による点火時期リタードの制限を相殺でき、膨張比低下による排気温度上昇効果を確保できる。これは、前述の（１）、（２）および（５）と組み合わせることで特に効果があり、十分良好な燃焼が得られる。
【００６９】
（８）圧縮比を高めて、点火時期をリタードしない場合（参考）
燃焼が良くなり、膨張比も増大するので、効率が良くなる。従って、排温は低下する。
【００７０】
（９）圧縮比を下げて、点火時期をリタードしない場合（参考）
燃焼が遅くなり、膨張比も低下するので、効率が悪化し、排温は上昇するが、リタードによる効果の方が優っている。
【００７１】
次に、図１３のタイムチャートは、冷機起動後のハイアイドル状態から緩加速を経て定常走行に至るまでの過渡時の制御の状況を示している。冷機時には、起動後に自立運転に入ると、暖機後のアイドル回転数よりも回転数が高く設定された所謂ハイアイドル状態となり、ここからは、排温上昇を最大とするような制御が排気浄化の上で必要となる。
【００７２】
この例では、ハイアイドル時に、膨張比を低下させるべく圧縮比εを低く設定し、同時に、吸気弁の特性としては、作動角を縮小（これは遅角の自由度を拡大するためである）し、かつリフト中心角Φの遅角と組み合わせて、吸気弁開時期（ＩＶＯ）の大幅なリタードを行う。このとき吸気弁閉時期（ＩＶＣ）は下死点後になっているが、これは吸気弁開時期（ＩＶＯ）のリタードを最大限に行うためであり、下死点後であっても下死点に近い設定となっているため、実圧縮比への悪影響は小さい。このハイアイドル時における点火時期の遅角度合いは、燃焼状態によるが、最大限としている。より具体的には、暖機後は上死点前２０°ＣＡ程度となる点火時期が、上死点付近まで遅角する。
【００７３】
ハイアイドルから加速を行った場合にも、冷機状態である間は、圧縮比εを最低値に維持する。これにより、排気温度上昇効果が得られるとともに、ノッキングの問題も生じない。やがて排気浄化触媒１０４が転換開始温度に達するが、これ以降は、徐々に点火時期リタードを解除するとともに、徐々に圧縮比εを高めていき、吸気弁開時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉時期（ＩＶＣ）も燃費最良の目標値になるように、制御が移行していく。
【００７４】
図１４は、上述した冷機時および暖機時の制御の流れを示すフローチャートである。まず、冷却水温および触媒温度がそれぞれ所定温度以上であるか否かに基づき、冷機状態であるか暖機状態であるかを判別する（ステップ１）。冷機状態であれば、ステップ２以降へ進む。ステップ２では、冷機時における圧縮比ε、点火時期ＩＴ、吸気弁開時期（ＩＶＯ）、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）の各制御マップを選択する。そして、ステップ３でそのときの実際の機関運転条件（回転数、スロットル開度）を検出し、これに対応するように、各マップに基づいて制御を行う。すなわち、圧縮比εが目標圧縮比εとなるように可変圧縮比機構１０２を制御し（ステップ４，５）、吸気弁開時期（ＩＶＯ）および吸気弁閉時期（ＩＶＣ）がそれぞれ目標値となるようにリフト・作動角可変機構１および位相可変機構２を制御し（ステップ６，７）、さらに、点火時期ＩＴが目標値となるように点火進角制御装置１０３を制御する（ステップ８，９）。
【００７５】
暖機状態であれば、ステップ１からステップ１２以降へ進み、暖機時の制御マップに基づいて同様の制御が行われる。ステップ１２〜１９は、それぞれ上述したステップ２〜９に対応しているので、その詳細な説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る制御装置のシステム全体を示す構成説明図。
【図２】この実施例における可変動弁機構を示す斜視図。
【図３】リフト・作動角可変機構の動作説明図。
【図４】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図５】位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。
【図６】この実施例における可変圧縮比機構を示す正面図。
【図７】この可変圧縮比機構となる複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示す特性図。
【図８】可変圧縮比機構の動作説明図。
【図９】単振動運動を得るためのリンク構成の説明図。
【図１０】圧縮比制御特性を示す特性図。
【図１１】代表的な運転条件でのバルブリフト特性を示す特性図。
【図１２】冷機時の排温に与える吸気弁作動特性ならびに圧縮比の影響をまとめた説明図。
【図１３】冷機起動後の各部の動作を示すタイムチャート。
【図１４】圧縮比等の制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１０１…可変動弁機構
１０２…可変圧縮比機構
１０３…点火進角制御装置
１０４…排気浄化触媒
１…リフト・作動角可変機構
２…位相可変機構

Claims

ピストン上死点位置を変化させて公称圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、点火時期を制御する点火時期制御手段と、機関回転数および負荷を検出する手段と、機関の暖機状態を検出する手段と、吸気弁の開閉時期を変更可能な可変動弁機構と、を備えた火花点火式内燃機関において、
上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備えた複リンク式ピストン−クランク機構からなり、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで公称圧縮比の可変制御を行うものであり、
上死点付近でのピストン最大加速度が下死点付近でのピストン最大加速度以下となる特性に上記複リンク式ピストン−クランク機構のリンク構成が設定されており、
検出された機関回転数および負荷と暖機状態とに対応して、上記公称圧縮比を制御するとともに、
機関冷機時には、上記複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性によるリタード限界に対応して点火時期をＭＢＴ点から遅角させ、かつ同一の回転数および負荷の暖機時に比較して上記可変圧縮比機構によりピストン上死点位置を下げ、かつ、ピストン上死点位置の下降による実圧縮比の変化が小さくなるように、上記可変動弁機構によって吸気弁閉時期を排気弁開時期よりも下死点近くに設定するとともに、負荷の増大に応じて吸気弁開時期を進角させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
機関冷機時には、実圧縮比が膨張比（排気弁開時期のシリンダ容積／上死点でのシリンダ容積）よりも高くなるように、上記可変動弁機構によって吸気弁閉時期が排気弁開時期よりも下死点近くに設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構をさらに備え、機関回転数および負荷に対応して、吸気弁のリフト・作動角を連続的に制御するとともに、機関冷機時には、吸気弁のリフト・作動角が暖機時よりも小となるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構をさらに備え、機関冷機時には、上記吸気弁のリフト中心角を遅角させて、吸気弁開時期が吸入上死点よりも遅れるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
吸気弁のリフト・作動角が小さい条件では、上記吸気弁のリフト中心角の遅角を増加させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
点火時期のＭＢＴ点からの遅角度合いが、機関負荷の増大に応じて漸次縮小するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関の排気系に排気浄化触媒が設けられており、機関暖機状態を検出する手段として、上記排気浄化触媒の温度を検知する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
機関暖機状態を検出する手段として、機関冷却水の温度を検知するセンサを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記位相可変機構は、チェーンまたはタイミングベルトを介して上記クランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットと、このカムスプロケットにより回転駆動されるカムシャフトと、上記カムスプロケットと上記カムシャフトとの位相を変化させる機構と、を含んで構成されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
上記リフト・作動角可変機構は、駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸気弁のタペットを押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより吸気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。