JP4172496B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の機械圧縮比（単に「圧縮比」ともいう。）を変更する機能を有するとともに、前記内燃機関の燃焼室におけるタンブル流の強度を制御する機能を有する可変圧縮比内燃機構に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的とした、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを、気筒の軸線方向に相対移動させることで燃焼室の容積を変更し、以て内燃機関の圧縮比を変更する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、コンロッドを２分割し、クランクシャフトに連結された方のコンロッドに所定の揺動中心を中心に揺動可能な揺動部材を連結し、前記揺動中心がカム軸を回転させることによって移動することで燃焼室の容積及びピストンのストロークを変更し、以って内燃機関の圧縮比を変更する技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

上記の技術においては、燃焼室の容積がシリンダ軸線方向に変化することで圧縮比が変化するので、前記内燃機関の圧縮比を低く設定した場合には、燃焼室の高さが増加して燃焼室内にスキッシュエリアを形成しづらくなることがあった。そうすると、燃焼室における燃焼の速度を充分に上昇させることができず、熱効率が低下したり、ノッキングが発生し易くなったりするおそれがあった。

これに関連し、圧縮比を低下させた場合にはスワール流の強度を高める方向にスワール制御装置を動作させる技術が提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。しかし、燃焼室の容積がシリンダ軸線方向に変化することで圧縮比が変化する可変圧縮比内燃機関においては、吸気流に対するシリンダ軸線方向の圧力が特に変化するため、横渦であるスワール流よりも縦渦であるタンブル流に対して圧縮比の影響が大きく現れる。従って、スワール流の強度を高めるのみでは低圧縮比の状態で充分に燃焼状態を向上できるとは言えなかった。
特開２００３−２０６７７１号公報 特開２００１−３１７３８３号公報 特公平４−４４５８号公報 特開２００４−２３２５８０号公報 特開２００３−２９３８０５号公報

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比に拘らず燃焼室における燃焼の状態を適正に維持する技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、可変圧縮比内燃機関における圧縮比に応じて、燃焼室内のタンブル流の強度を変更する制御を行うことを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関のＴＤＣにおけるシリンダヘッドとピストンとの相対位置をシリンダ軸方向に変更し、燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の機械圧縮比を制御する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室におけるタンブル流の強度を変更するタンブル流強度変更手段と、
を備え、
前記シリンダヘッドとピストンとの間には、前記燃焼室の高さに応じてスキッシュエリアが形成され、
前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比に応じて、前記タンブル流の強度を変更することを特徴とする。

そうすれば、燃焼室の容積（高さ）に依存するタンブル流の生成し易さに応じて、タンブ
ル流強度変更手段が燃焼室において生成されるタンブル流の強度を変更する制御を行うので、圧縮比に拘らず燃焼室内に充分なタンブル流を生成することができる。その結果、圧縮比に拘らず燃焼室内における燃焼の状態を適正に維持することができる。

また、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が低いほど前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。

ここで前述のように、前記内燃機関における圧縮比が低いほど燃焼室の高さが増加するので、圧縮比が低い状態においてはタンブル流の生成が困難となる。従って、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関における圧縮比が低くなるほどタンブル流の強度を強くする制御を行うようにした。そうすれば、圧縮比が低く燃焼室の高さが増加した状態においても燃焼室内に充分な強度のタンブル流を生成することができ、燃焼室における燃焼の状態を向上させることができる。

また、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第１圧縮比より低い場合に、前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。

この場合は、圧縮比が所定の第１圧縮比である状態を閾値として圧縮比がそれより低い場合には、前記タンブル流強度変更手段はタンブル流の強度を強くする制御を行う。すなわちタンブル流の強度に関して圧縮比に応じた２段階の制御を行う。そうすれば、簡単な制御によって、圧縮比に拘らず燃焼室内に充分な強さのタンブル流を生成することができる。なお、ここで所定の第１圧縮比とは、圧縮比がこれより低い場合には、タンブル流の強度を強くする制御を行わなければ燃焼室における燃焼の速度が遅くなり、燃焼の状態を適正に維持することが困難となる圧縮比であり、予め実験的に求めるようにしてもよい。

また、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第２圧縮比より低く、且つ前記内燃機関の機関負荷が所定の第１負荷よりも低い場合に、前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。

ここで、前記内燃機関における圧縮比の制御では、圧縮比を低下させるのは、比較的高負荷の運転状態である場合が多い。しかし、機関回転数が高い場合においては低負荷の運転状態において圧縮比を低下することもある。一方、タンブル流強度変更手段がタンブル流の強度を強くする制御を行う場合には、吸気の流れ自体を変更し、結果として吸気の流れを妨げることが多い。従って、あまりに高負荷の運転状態においてタンブル流の強度を強くする制御を実施するのは好ましくない。そこで、本発明においては、前記圧縮比が所定の第２圧縮比より低く、且つ前記内燃機関の機関負荷が所定の第１負荷よりも低い場合に、前記タンブル流の強度を強くする制御を行うようにした。

そうすれば、燃焼室の高さが増加することによりタンブル流が生成されづらい状態であり、且つタンブル流の強度を強くする制御を行っても内燃機関の運転性能に影響を及ぼさない状態において、タンブル流の強度を強くする制御を行うことができる。従って、内燃機関の運転性能に影響を及ぼすことなく、圧縮比に拘らず内燃機関の燃焼の状態を適正に
維持することができる。なお、ここで所定の第２圧縮比とは、圧縮比がこれより低い場合には、タンブル流の強度を強くする制御を行わなければ燃焼室における燃焼の速度が遅くなり、燃焼の状態を適正に維持することが困難となる圧縮比であり、前述の第１圧縮比と同じ圧縮比としてもよい。また、第１負荷は、内燃機関の機関負荷がこれより低い場合には、タンブル流の強度を強くする制御を行っても機関の運転性能に著しい影響が及ばない閾値としての機関負荷であり、予め実験的に求めるようにしてもよい。

また、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第３圧縮比より低い場合及び、前記機械圧縮比が前記第３圧縮比より高い所定の第４圧縮比より高い場合に、前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。

ここで、圧縮比が低い場合に燃焼室内でタンブル流が生成しづらくなる点については前述のとおりである。一方、圧縮比が高い状態においては燃焼室が扁平になるために燃焼室の表面積を体積で除した値（以下、「Ｓ／Ｖ比」という。）が大きくなり燃焼室における熱効率が低下する傾向がある。そうすると、燃焼室における燃焼の安定性が低下するおそれがある。

そこで本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記圧縮比が所定の第３圧縮比より低い場合の他、前記圧縮比が第３圧縮比より高い所定の第４圧縮比より高い場合にも、前記タンブル流の強度を強くする制御を行うようにした。そうすれば、圧縮比が低いためにタンブル流が生成されづらい場合の他、圧縮比が高いために燃焼室における熱効率が低下し燃焼の安定性が低下するおそれがある場合にも、燃焼室内のタンブル流の強度を強くして燃焼を安定化させることができる。

なお、ここで第３圧縮比は圧縮比がこれより低い場合には、タンブル流の強度を強くする制御を行わなければ燃焼室における燃焼の速度が遅くなり、燃焼の状態を適正に維持することが困難となる圧縮比であり、前述の第１圧縮比と同じ圧縮比としてもよい。また、第４圧縮比は圧縮比がこれより高い場合には、燃焼室における熱効率が低下するためにタンブル流の強度を強くする制御を行わなければ燃焼の状態を適正に維持することが困難となる圧縮比であり、予め実験的に求めてもよい。

また、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第５圧縮比より低い場合には、前記機械圧縮比が低いほど前記タンブル流の強度を強くし、
前記機械圧縮比が前記第５圧縮比以上の所定の第６圧縮比より高い場合には、前記機械圧縮比が高いほど前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。

すなわち、ただ単に圧縮比が所定値より低い場合及び所定値より高い場合にタンブル流の強度を強くする制御を行うのではなく、本発明においては、圧縮比が閾値としての第５圧縮比より低い場合には、前記圧縮比が低いほど前記タンブル流の強度を強くし、圧縮比が前記第６圧縮比以上である場合には、前記圧縮比が高いほど前記タンブル流の強度を強くするようにしてもよい。そうすれば、より正確に、圧縮比に応じたタンブル流の強度の制御を行うことができ、圧縮比に拘らずにより確実に内燃機関の燃焼状態を適正化することができる。なお、第５圧縮比は前述の第３圧縮比と、第６圧縮比は前述の第４圧縮比と同じ圧縮比としてもよい。

なお、本発明においては、前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気ポートに設けられたタンブル流制御バルブを開閉することにより前記タンブル流の強度を変更するようにしてもよい。また、前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気行程における吸気弁の開弁時期を変更することにより前記タンブル流の強度を変更するようにしてもよい。また、前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気ポートの軸方向に垂直な方向の断面形状を、該断面における前記燃焼室の中心側の幅が前記燃焼室の周辺側の幅より大きくなるように定めるようにしてもよい。さらに、前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関のピストンの頂面に、前記タンブル流の生成を促進する凹凸部を有するようにしてもよい。

なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。

本発明にあっては、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比に拘らず燃焼室における燃焼の状態を適正に維持することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

以下に説明する内燃機関１は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ２を有するシリンダブロック３を、ピストンが連結されたクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。

先ず、図１を用いて、本実施例に係る可変圧縮比機構の構成について説明する。図１に示されるように、シリンダブロック３の両側下部に複数の***部が形成されており、この各***部にカム収納孔５が形成されている。カム収納孔５は、円形をしており、シリンダ２の軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。カム収納孔５はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側のカム収納孔５の一対の軸線は平行である。

クランクケース４には、上述したカム収納孔５が形成された複数の***部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース４外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト６によって取り付けられるキャップ７が用意されており、キャップ７も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ７を取り付けると、円形の軸受収納孔８が形成される。軸受収納孔８の形状は、上述したカム収納孔５と同一である。

複数の軸受収納孔８は、カム収納孔５と同様に、シリンダブロック３をクランクケース４に取り付けたときにシリンダ２の軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数の軸受収納孔８も、シリンダブロック３の両側に形成されることとなり、片側の複数の軸受収納孔８はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側の軸受収納孔８の一対の軸線は平行である。また、両側のカム収納孔５の間の距離と、両側の軸受収納孔８との間の距離は同一である。

交互に配置される二列のカム収納孔５と軸受収納孔８には、それぞれカム軸９が挿通される。カム軸９は、図1に示されるように、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心
された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂと、カム部９ｂと同一外形を有し軸部９ａに対して回転可能に取り付けられた可動軸受部９ｃとを有し、カム軸９ｂと可動軸受部９ｃとが交互に配置されている。一対のカム軸９は鏡像の関係を有している。また、カム軸９の端部には、後述するギア１０の取り付け部９ｄが
形成されている。軸部９ａの中心軸と取り付け部９ｄの中心とは偏心しており、カム部９ｂの中心と取り付け部９ｄの中心とは一致している。

可動軸受部９ｃも、軸部９ａに対して偏心されておりその偏心量はカム部９ｂと同一である。また、各カム軸９において、複数のカム部９ｂの偏心方向は同一である。また、可動軸受部９ｃの外形は、カム部９ｂと同一直径の正円であるので、可動軸受部９ｃを回転させることで、複数のカム部９ｂの外表面と複数の可動軸受部９ｃの外側面とを一致させることができる。

各カム軸９の一端にはギア１０が取り付けられている。一対のカム軸９の端部に固定された一対のギア１０には、それぞれウォームギア１１ａ、１１ｂがかみ合っている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは単一のモータ１２の一本の出力軸にとりつけられている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは、互いに逆方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ１２を回転させると、一対のカム軸９は、ギア１０を介して互いに逆方向に回転する。モータ１２は、シリンダブロック３に固定されており、シリンダブロック３と一体的に移動する。

次に、上述した構成の内燃機関１において圧縮比を制御する方法について詳しく説明する。図２（ａ）から図２(ｃ)にシリンダブロック３と、クランクケース４と、これら両者の間に構築されたカム軸９との関係を示した断面図を示す。図２(ａ)から図２(ｃ)において、軸部９ａの中心軸をａ、カム部９ｂの中心をｂ、可動軸受部９ｃの中心をｃとして示す。図２（ａ）は、軸部９ａの延長線上から見て全てのカム部９ｂ及び可動軸受部９ｃの外周が一致した状態である。このとき、ここでは一対の軸部９ａは、カム収納孔５及び軸受収納孔８の中で外側に位置している。

図２(ａ)の状態から、モータ１２を駆動して軸部９ａを矢印方向に回転させると、図２(ｂ)の状態となる。このとき、軸部９ａに対して、カム部９ｂと可動軸受部９ｃの偏心方向にずれが生じるので、クランクケース４に対してシリンダブロック３を上死点側にスライドさせることができる。そして、そのスライド量は図２(ｃ)のような状態となるまでカム軸９を回転させたときが最大となり、カム部９ｂや可動軸受部９ｃの偏心量の２倍となる。カム部９ｂ及び可動軸受部９ｃは、それぞれ軸受収納孔８及びカム収納孔５の内部で回転し、それぞれ軸受収納孔８及びカム収納孔５の内部で軸部９ａの位置が移動するのを許容している。

上述したような機構を用いることによって、シリンダブロック３をクランクケース４に対して、シリンダ２の軸線方向に相対移動させることが可能となり、圧縮比を可変制御することができる。なお、上記で説明した構成は本実施例における可変圧縮比機構に相当する。

ここで、内燃機関１における圧縮比を低く設定した状態について考える。この状態においては、シリンダブロック３がクランクケース４に対して離反した状態であるので燃焼室の高さが比較的高い状態となる。そうすると、燃焼室においてスキッシュエリアを形成することが困難となることがあった。その結果、燃焼室における燃焼の速度が低下し、燃焼状態を適正に維持することが困難な場合があった。

そこで、本実施例においては、内燃機関１の圧縮比を所定値より低くする場合には、並行して燃焼室内のタンブル流の強度を強くする制御を行うこととした。

図３には、本実施例における内燃機関１の燃焼室付近の詳細図を示す。本実施例におけるシリンダ２には、吸気ポート２１及び排気ポート２２が接続され、それぞれのポートに
は吸気弁２３及び排気弁２４が往復運動可能に備えられている。また、吸気ポート２１には、燃焼室２０内におけるタンブル流の強度を調整可能なタンブル制御バルブ（以下、「ＴＣＶ」という。）２５が備えられている。このＴＣＶ２５を閉弁することにより、吸気ポート２１を通過する吸気に偏りを持たせて燃焼室２０内に生成されるタンブル流の強度を強くすることができる。また、内燃機関１にはＥＣＵ３０（Electronic Control Unit
）が併設されている。このＥＣＵ３０は、内燃機関１における運転に関わる制御の他、上述の圧縮比を変更する制御、圧縮比の変更とともに燃焼室２０内のタンブル流の強度を変更する制御を実行する。

図４には、本実施例における圧縮比変更ルーチンを示す。本ルーチンはＥＣＵ３０内のＲＯＭに記憶されたプログラムであり、内燃機関１の稼働中はＥＣＵ３０によって所定期間毎に実行される。

本ルーチンが実行されるとまずＳ１０１において、その時点において目標とされる圧縮比εｔが求められる。この圧縮比の値は図示しないクランクポジションセンサ及びアクセルポジションセンサから得られた内燃機関１の運転状態に応じて定められる。具体的には、内燃機関１の機関回転数及び機関負荷と目標圧縮比εｔとの関係が格納されたマップから、その時点における内燃機関１の運転状態に対応するεｔが読み出される。Ｓ１０１の処理が終了するとＳ１０２に進む。

Ｓ１０２においては、目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０より低いかどうかが判定される。ここで基準圧縮比ε０は、圧縮比がこれより低い場合は、燃焼室２０の高さが増加するためにスキッシュエリアを形成することが困難となり、燃焼室２０における燃焼の状態が不安定となるおそれがあると判断される閾値としての圧縮比である。Ｓ１０２において目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０以上であると判定される場合にはＳ１０３に進む。一方、目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０より低いと判定される場合にはＳ１０４に進む。

Ｓ１０３においては、圧縮比制御が実行される。具体的にはモータ１２に通電することによりカム軸９を回転させ、内燃機関１の圧縮比が目標圧縮比εｔとなるように制御する。Ｓ１０３の処理が終了すると本ルーチンを一旦終了する。

一方、Ｓ１０４においては、Ｓ１０３と同様に圧縮比の制御が行われるとともにタンブル流の強度を強くする制御が行われる。すなわち、具体的にはモータ１２に通電されることによりカム軸９を回転させ、内燃機関１の圧縮比が目標圧縮比εｔとなるように制御するとともに、ＴＣＶ２５を閉弁することにより吸気ポート２１を通過する吸気に偏りを持たせ、燃焼室２０内に生成されるタンブル流の強度を強くする。Ｓ１０４の処理が終了すると本ルーチンを一旦終了する。

以上、説明したように、本実施例においては、内燃機関１において目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０より低い場合には、圧縮比の制御が行われるとともに、燃焼室２０において生成されるタンブル流の強度を強くする制御が行われる。これにより、圧縮比が低い状態において燃焼室２０の高さが増加することに起因して燃焼室２０内のタンブル流の強度が弱くなってしまうことを抑制できる。これにより、圧縮比に拘らず燃焼室２０における燃焼の状態を適正に維持することができる。上記のＳ１０３の処理においてタンブル流の強度を強くする制御を行うＥＣＵ３０は、本実施例におけるタンブル流強度変更手段を構成する。また、基準圧縮比ε０は本実施例において第１圧縮比に相当する。

なお、上記の実施例においては、目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０より低いかどうかによってタンブル流の強度を強くする制御を行うかどうかを決定する２段階の制御を行った。これに対し、目標圧縮比εｔと、それに対する最適なタンブル流の制御における目標強
度との関係を格納したマップを予め実験的に作成し、目標圧縮比εｔに対応する目標タンブル流強度Ｔｔを該マップから読み出して制御するようにしてもよい。このマップにおける目標圧縮比εｔと目標タンブル流強度Ｔｔとの間の関係の例を図５に示す。図５に示すように目標圧縮比εｔが低くなるほど、目標タンブル流強度Ｔｔを高くするようにしてもよい。

そうすれば、より精度よく、燃焼室２０内におけるタンブル流の強度を適正値とすることができ、より確実に燃焼室２０内の燃焼の状態を適正に維持することができる。

上記の実施例においては目標タンブル流強度Ｔｔに基づいてタンブル流の強度を変更するために、ＴＣＶ２５の開度を制御する方法を採用している。しかし、燃焼室２０におけるタンブル流の強度を変更する方法はこれに限られない。例えば、ＴＣＶ２５の代わりに図示しない可変動弁機構（以下「ＶＶＴ」という。）を備えるようにし、目標圧縮比εｔが基準圧縮比ε０より低い場合に、ＶＶＴによって吸気弁２３の開弁時期を遅くしてもよい。そうすれば、ピストン１５がある程度下がってから吸気弁２３が開弁するために、吸気ポート２１と燃焼室２０との圧力差が大きい状態で吸気弁２３を開弁することができる。これにより、吸気ポート２１から流入する吸気の勢いを強くするができ、燃焼室２０におけるタンブル流の強度を強くすることができる。その際の吸気弁２３及び排気弁２４の開閉動作のタイミングの例について図６に示す。

また、上記の実施例における吸気ポート２１としては、その上側の壁面の終端部に肉盛部を設けることにより、その肉盛部と吸気弁２３との隙間を通過する空気の流速を高めてタンブル流を強化するなど、自身の形状がタンブル流を強化可能なものを採用してもよい。

次に本発明における実施例２について説明する。本実施例においては、圧縮比の変化に応じて自動的に燃焼室内のタンブル流の強度を制御可能な構成の例について説明する。図７には、本実施例における燃焼室２０付近の詳細図を示す。本実施例においては図７に示すように、２つの吸気ポート２１ａと２１ｂの断面を、Ｌ１＞Ｌ２なる条件を満たすような台形状の断面としている。すなわち、吸気ポート２１ａ、２１ｂの断面における燃焼室の中心側の幅が燃焼室の周辺側の幅より大きくなっている。

このような構成においては、高負荷の運転状態であって燃焼室２０への吸気の充填率が高い状態においては、吸気ポート２１ａ、２１ｂの台形の断面における燃焼室の中心側付近を通過する吸気の量が相対的に増加し、燃焼室２０におけるタンブル流の強度が強くなることが分かっている。一方、高負荷の運転状態であって燃焼室２０への吸気の充填率が高い状態においては、通常圧縮比を低下させる制御が行われる。その結果、この構成において圧縮比が低い状態においては、自動的に燃焼室２０におけるタンブル流の強度を強くする制御を行うことができる。

なお、上記の他、本実施例では燃焼室２０におけるタンブル流の強度を強くするためにピストン１５の頂面に所定の凹凸を設けてもよい。これらの例を図８及び図９に示す。図８には、ピストン１５の頂面において吸気の流れる方向に略直行する方向に段差またはスロープ１５ａを設ける例について示す。ここで１５ｂは吸気弁用のリセスである。図９には、ピストン１５の頂面に、生成されるべきタンブル流に沿った形状の曲面からなる凹部１５ｃを設けた例について示す。これらの凹凸をピストン１５の頂面に設けることにより、燃焼室２０におけるタンブル流の強度を強くすることができる。

また、本実施例においては、燃焼室２０の天井面にタンブル流の強度を強くする所定の
形状を設けるようにしてもよい。例えば、図１０に示すように吸気弁２３のシート付近の一部にマスク部２６を設け、マスク部２６の近傍からは吸気が燃焼室２０に流入しづらいようにする。そうすれば、吸気の大部分が吸気ポート２１のマスク部２６と反対側から燃焼室２０に流入することとなり、タンブル流の強度を強くすることができる。

なお、上記の実施例においては、低圧縮比の状態において目標タンブル流強度を強くしている。ここで、通常は内燃機関１の高負荷の運転状態において圧縮比が低く設定される。従って、低圧縮比且つ高負荷の状態においてタンブル流の強度を強くする制御が行われる場合が多い。これに対し、機関回転数が高回転の運転状態においては、低負荷の運転状態において圧縮比が低く設定される場合がある。本実施例においては、このような低圧縮比且つ低負荷の状態（具体的には、例えば圧縮比が第２基準圧縮比ε１より低く、機関負荷が基準負荷より低い状態）においてタンブル流の強度を強くする制御を行ってもよい。

ここで、タンブル流の強度を強くする制御においては、吸気ポート２１を通過する吸気に偏りを持たすなど、燃焼室２０への吸気の流入を妨げる結果となる制御を行うことが多い。しかし、低圧縮比且つ低負荷の状態においてタンブル流の強度を強くする制御を行えば、吸気の流入が妨げられたとしても、内燃機関１の運転性能に影響が及ぶ可能性は低い。従って、より好適にタンブル流の強度を強くする制御を行うことができる。この場合においては、第２基準圧縮比ε１は本実施例における第２圧縮比に相当する。また、基準負荷は第１負荷に相当する。

次に本発明の実施例３について説明する。本実施例においては、圧縮比が低い状態においてタンブル流の強度を強くする制御を行うとともに、圧縮比が高い状態においてもタンブル流の強度を強くする制御を行う例について説明する。

前述のように圧縮比が低い状態においては、タンブル流が生成されづらく燃焼室における燃焼の速度が遅くなる傾向にあった。これに対し、圧縮比が高い状態においては、燃焼室の高さが減少して燃焼室が扁平な形状となるために、燃焼室の表面積を体積で除した値（以下「Ｓ／Ｖ比という」。）が大きくなる。その結果、熱効率が低下し燃焼が不安定化するおそれがある。また、圧縮比が高い状態においては、低負荷の運転状態であることが多く、吸入空気量が少ないためタンブル流が生成されづらい場合もあった。

上記に対し、本実施例においては圧縮比の変化の領域を３つの領域に分割し、圧縮比が低い領域と、圧縮比が高い領域の両方においてタンブル流の強度を強くする制御を行うことにした。

図１１には本実施例における燃焼室２０付近の詳細図を示す。本実施例においては、ＴＣＶとしてロータリーバルブ２７が使用されている。本実施例においては、このロータリーバルブ２７を用いているので、吸気抵抗を増加させずに吸気の気流を制御することができる。ここでθが０度の状態とはロータリーバルブ２７の方向が吸気ポート２１の方向に沿った方向となっており、吸気に偏りが生じない状態である。

図１２（ａ）には、ロータリーバルブ２７をプラス側に回転させた場合の吸気の流れを、図１２（ｂ）には、ロータリーバルブ２７をマイナス側に回転させた場合の吸気の流れを示す。図１２（ａ）に示すように、ロータリーバルブ２７をプラス側に回転させた場合には、吸気が吸気ポート２１中、図１２（ａ）における上側に偏りを持つので、結果として燃焼室２０に巻き込む形態のタンブル流を生成させて、強力なタンブル流を生成可能である。一方、図１２（ｂ）に示すように、ロータリーバルブ２７をマイナス側に回転させた場合には、吸気が吸気ポート２１中、図１２（ａ）における下側に偏りを持つので、燃
焼室２０に巻き上げる形態のタンブル流を生成させることができる。

そして、本実施例においては、図１３に示すように、高負荷の運転状態であって低圧縮比となる第１領域においては、θは＋１０度とする。また、第１領域より低負荷の領域であり圧縮比を高圧縮比とする第２領域においてはθは±０度とする。さらに圧縮比が高圧縮比となる運転状態であって第２領域よりさらに低負荷の領域である第３領域においてはθは−１０度とする。

そうすれば、高負荷であって低圧縮比の第１領域については、図１２（ａ）に示すような巻き込む形態のタンブル流を生成させて、大流量の強力なタンブル流を生成することができる。こうすれば、低圧縮比で燃焼室の高さが増加した状態においても充分な強度のタンブル流を生成でき、燃焼の状態を安定化することができる。

一方、低負荷で低圧縮比の状態である第３領域においては、ロータリーバルブ２７の回転角θを第１領域とは逆側にし、１２（ｂ）に示すような巻き上げる形態のタンブル流を生成させ、ピストン１５の斜面に沿った気流を形成してリーン燃焼を補助することができる。

このように、本実施例においては吸気ポート２１にロータリーバルブ２７を備え、圧縮比（運転状態）に応じてロータリーバルブ２７の姿勢を制御することにより、圧縮比が低い状態のみならず、圧縮比が高い状態においても適正なタンブル流を生成することとしている。従って、圧縮比に拘らず燃焼の状態を安定化させることができる。具体的には、圧縮比が低く燃焼室２０内でタンブル流が生成されづらくなることにより、燃焼の速度が遅くなり燃焼が不安定になることを抑制できるとともに、圧縮比が高くＳ／Ｖ比が高いために熱効率が低下し、燃焼が不安定になることを抑制することができる。ロータリーバルブ２７の回転角は上記の他、空気流量に応じて予め実験的に求められた最適な角度に制御されるようにしてもよい。

なお、図１４には、上記の制御における圧縮比と目標タンブル強度Ｔｔとの関係のグラフを示す。第１領域及び第３領域においてタンブル流の方向は異なるが、第２領域と比較して目標タンブル流の強度を強くしていることが分かる。なお、図１４において第１領域と第２領域の境界の圧縮比は本実施例における第３圧縮比に相当する。また、第２領域と第３領域の境界の圧縮比は本実施例における第４圧縮比に相当する。

ここで、本実施例における圧縮比と目標タンブル流強度Ｔｔとの関係は、図１４に示したものに限られない。例えば図１５に示すように、圧縮比が所定の第３基準圧縮比ε２以下である場合にはそれより圧縮比が低くなるほど目標タンブル流強度Ｔｔを強くすることにし、同時に、圧縮比が第３基準圧縮比ε２より高い場合には、それより圧縮比が高くなるほど目標タンブル流強度Ｔｔを強くすることにしてもよい。そうすれば、圧縮比が低い場合と高い場合の両方についてタンブル流の強度を適正に、圧縮比に応じて最適な値に制御することが可能となり、より確実に、圧縮比に拘らず燃焼の状態を安定化させることができる。この場合の第３基準圧縮比ε２は、本実施例における第５圧縮比及び第６圧縮比の両方に相当する。また、図１４における圧縮比の第１領域においては、圧縮比が低くなるほど目標タンブル流強度Ｔｔを強くすることにし、圧縮比の第３領域においては、圧縮比が高くなるほど目標タンブル流強度Ｔｔを強くすることにしてもよい。この場合においては、第１領域と第２領域の境界の圧縮比は本実施例における第５圧縮比に相当する。また、第２領域と第３領域の境界の圧縮比は本実施例における第６圧縮比に相当する。

次に本実施例における別の態様について説明する。図１６（ａ）には本態様における燃焼室２０付近の詳細について示す。図１６（ａ）に示すように、本態様においては吸気ポ
ート２１ｃの他に補助吸気通路３１を有している。そして補助吸気通路３１においては、補助バルブ２８が回転可能に設けられている。補助吸気通路３１は吸気ポート２１ｃの上流側のメインスロットル２９の上流から吸気を導いている。そして、吸気ポート２１ｃにおける圧力Ｐ１に対して補助吸気通路３１における圧力Ｐ２が高いことを利用して強力なタンブル流を生成することとしている。その際、図１６（ｂ）に示すように、補助バルブ２８によって補助吸気通路３１から噴出す空気流の方向を制御することにより燃焼室２０に流入するタンブル流の方向及び強度を制御している。

なお、本態様においてメインスロットル２９が全開の場合であって吸気ポート２１ｃにおける圧力Ｐ１と、補助吸気通路３１における圧力Ｐ２とが大きな差がなく、タンブル流を生成することが困難な場合においては、吸気ポート２１ｃ内に発生する脈動を利用してもよい。すなわち、補助バルブ２８を、吸気ポート２１ｃ内における脈動によってＰ１よりＰ２が大きくなるタイミングにおいてバルブが開くように位相を合わせて回転させるようにしてもよい。

なお、上記の実施例においては内燃機関１の圧縮比に応じて、特に低圧縮比の状態または高圧縮比の状態において燃焼室におけるタンブル流の強度を強くすることについ説明したが、タンブル流の強度と合わせて、燃焼室におけるスワール流の強度も強くするようにしてもよい。

本発明の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施例に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する経過を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る内燃機関の燃焼室付近の詳細を示す図である。 本発明の実施例１に係る圧縮比変更ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る圧縮比と目標タンブル流強度との関係の例を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る吸気弁と排気弁の開閉動作のタイミングを示すグラフである。 本発明の実施例２に係る吸気ポートの断面形状について示す図である。 本発明の実施例２に係るピストンの頂面の形状について示す図である。 本発明の実施例２に係るピストンの頂面の形状の別の例について示す図である。 本発明の実施例２に係る燃焼室の天井面の形状について示す図である。 本発明の実施例３に係る燃焼室付近の詳細について示す図である。 本発明の実施例３に係るロータリーバルブの姿勢と吸気の流れとの関係を説明するための図である。 本発明の実施例３に係る内燃機関の運転状態と圧縮比及びロータリーバルブの姿勢との関係を示す図である。 本発明の実施例３に係る圧縮比と目標タンブル流強度との関係を示す図である。 本発明の実施例３に係る圧縮比と目標タンブル流強度との関係の別の例を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃焼室付近の詳細の別の例について示す図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・シリンダ
３・・・シリンダブロック
４・・・クランクケース
９・・・カム軸
１０・・・ギア
１１ａ、１１ｂ・・・ウォームギア
１２・・・モータ
１５・・・ピストン
２０・・・燃焼室
２１・・・吸気ポート
２２・・・排気ポート
２３・・・吸気弁
２４・・・排気弁
２５・・・ＴＣＶ
２６・・・マスク部
２７・・・ロータリーバルブ
２８・・・補助バルブ
３０・・・ＥＣＵ
３１・・・補助吸気通路

Claims (10)

1. 内燃機関のＴＤＣにおけるシリンダヘッドとピストンとの相対位置をシリンダ軸方向に変更し、燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の機械圧縮比を制御する可変圧縮比機構と、
   前記燃焼室におけるタンブル流の強度を変更するタンブル流強度変更手段と、
   を備え、
   前記シリンダヘッドとピストンとの間には、前記燃焼室の高さに応じてスキッシュエリアが形成され、
   前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比に応じて、前記タンブル流の強度を変更することを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が低いほど前記タンブル流の強度を強くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第１圧縮比より低い場合に、前記タンブル流の強度を強くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第２圧縮比より低く、且つ前記内燃機関の機関負荷が所定の第１負荷よりも低い場合に、前記タンブル流の強度を強くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第３圧縮比より低い場合及び、前記機械圧縮比が前記第３圧縮比より高い所定の第４圧縮比より高い場合に、前記タンブル流の強度を強くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
6. 前記タンブル流強度変更手段は、前記機械圧縮比が所定の第５圧縮比より低い場合には、前記機械圧縮比が低いほど前記タンブル流の強度を強くし、
   前記機械圧縮比が前記第５圧縮比以上の所定の第６圧縮比より高い場合には、前記機械圧縮比が高いほど前記タンブル流の強度を強くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
7. 前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気ポートに設けられたタンブル流制御バルブを開閉することにより前記タンブル流の強度を変更することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
8. 前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気行程における吸気弁の開弁時期を変更することにより前記タンブル流の強度を変更することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
9. 前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関の吸気ポートの軸方向に垂直な方向の断面形状を、該断面における前記燃焼室の中心側の幅が前記燃焼室の周辺側の幅より大きくなるように定めることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。
10. 前記タンブル流強度変更手段は、前記内燃機関のピストンの頂面に、前記タンブル流の生成を促進する凹凸部を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。

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