JP2021021346A - Variable compression ratio system of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は4サイクル式の内燃機関の可変圧縮比システムに係り、特にピストンの上死点や下死点の位置を変更する可変圧縮比機構を備えた内燃機関の可変圧縮比システムに関するものである。 The present invention relates to a variable compression ratio system of a four-cycle internal combustion engine, and particularly relates to a variable compression ratio system of an internal combustion engine provided with a variable compression ratio mechanism for changing the positions of top dead center and bottom dead center of a piston. ..
従来の内燃機関の可変圧縮比システムとしては、内燃機関の幾何学的な圧縮比、つまり機械圧縮比(εC)や機械膨張比(εE)を可変制御する可変圧縮比機構によって、機関の諸性能を改善することが提案されている。例えば、以下の非特許文献1に記載の内燃機関の可変圧縮比システムには、副リンク式のピストン・クランク機構により、機械膨張比を機械圧縮比より大きく設定した、高膨張汎用内燃機関システムが示されている。
As a conventional variable compression ratio system for an internal combustion engine, various performances of the engine are provided by a variable compression ratio mechanism that variably controls the geometric compression ratio of the internal combustion engine, that is, the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE). It has been proposed to improve. For example, the variable compression ratio system of the internal combustion engine described in Non-Patent
ところで、上述の非特許文献1に記載の内燃機関では、汎用の内燃機関ということもあり、機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)は異なる値となっているものの、機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)の夫々を制御することができなかった。すなわち、内燃機関の負荷の変化に対応して、機械膨張比(εE)や機械圧縮比(εC)を制御することができず、大きな負荷変動がある自動車用の内燃機関に適用することは困難であった。
By the way, the internal combustion engine described in
本発明の目的は、機械膨張比(εE)、機械圧縮比(εC)を負荷の変化に対応して適切に制御して燃費性能等の機関性能を高めることができる内燃機関の可変圧縮比システムを提供することにある。 An object of the present invention is a variable compression ratio system for an internal combustion engine capable of appropriately controlling the mechanical expansion ratio (εE) and the mechanical compression ratio (εC) in response to changes in load to improve engine performance such as fuel efficiency. Is to provide.
本発明は、機械膨張比(εE)よりも機械圧縮比(εC)を小さく設定可能な内燃機関の可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の負荷が所定部分負荷より高いときの機械膨張比(εE)に対して、内燃機関の負荷が所定部分負荷よりも低いときの機械膨張比(εE)を小さく制御する、ところにある。 The present invention is a variable compression ratio system for an internal combustion engine in which the mechanical compression ratio (εC) can be set smaller than the mechanical expansion ratio (εE), and the mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is higher than a predetermined partial load. On the other hand, the mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is lower than the predetermined partial load is controlled to be small.
本発明によれば、所定部分負荷より負荷が高い領域では、高機械膨張比(εE)によって膨張正仕事を増加して熱効率の向上を図り、また所定部分負荷より負荷が低い領域では、機械膨張比(εE)を小さくすることで、高機械膨張比維持のままだと発生する膨張行程後期のポンプ損失を低減して熱効率の向上を図ることで、所定部分負荷より高い負荷領域、及び低い負荷領域の両負荷領域において良好な燃費性能が得られるものとなる。 According to the present invention, in the region where the load is higher than the predetermined partial load, the expansion positive work is increased by the high mechanical expansion ratio (εE) to improve the thermal efficiency, and in the region where the load is lower than the predetermined partial load, the mechanical expansion By reducing the ratio (εE), the pump loss in the latter stage of the expansion stroke, which occurs when the high mechanical expansion ratio is maintained, is reduced to improve the thermal efficiency, so that the load region is higher than the predetermined partial load and the load is lower. Good fuel efficiency can be obtained in both load areas.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and applications are included in the technical concept of the present invention. Is also included in that range.
先ず、本発明の第1実施形態について説明する。図1、及び図2は可変圧縮比機構の概略の構成を示している。ここで、図1は、図2において右側から見た図となっている。 First, the first embodiment of the present invention will be described. 1 and 2 show a schematic configuration of a variable compression ratio mechanism. Here, FIG. 1 is a view seen from the right side in FIG.
内燃機関01は、シリンダブロック02内に形成されたシリンダボア03に沿って上下方向へ往復運動するピストン2と、ピストン2の上下運動によって、ピストンピン3や可変圧縮比機構1の後述するリンク機構5を介して回転駆動するクランクシャフト4と、を備えている。図1のピストン2の冠面と一点鎖線で示す燃焼室境界線との間に隔成された空間は気筒内容積(燃焼室容積)である。
The
また、燃焼室には吸気バルブIVと排気バルブEVが設けられており、図示しないカムシャフトによって開閉されている。これらの吸気バルブIV、排気バルブEVは、ピストン2側(下側)にリフトすると、図1から分かるように、ピストン冠面に接近する。ここで、吸気バルブIVのリフト量を基準位置(yi= ye=0)からピストン摺動方向に対して(yi)の位置で示し、排気バルブEVのリフト量を基準位置からピストン摺動方向に対して(ye)の位置で示している。この時のピストン2の位置をYとする。
Further, an intake valve IV and an exhaust valve EV are provided in the combustion chamber, and are opened and closed by a camshaft (not shown). When these intake valve IV and exhaust valve EV are lifted to the
尚、基準位置(yi= ye=0)は、吸気バルブIV、及び排気バルブEVが共にリフトせずに閉じられている位置に対応している。ここでピストン位置Yが、あるクランク角において、吸気バルブIVの(yi)の位置、或いは排気バルブEVの(ye)の位置まで上昇すると、ピストン冠面と吸排気バルブの干渉が生じることになる。 The reference position (y = yes = 0) corresponds to the position where both the intake valve IV and the exhaust valve EV are closed without being lifted. Here, when the piston position Y rises to the (yi) position of the intake valve IV or the (ye) position of the exhaust valve EV at a certain crank angle, interference between the piston crown surface and the intake / exhaust valve will occur. ..
以下の説明では、図1を基礎としてピストン2は重力方向に上下するものとし、上側を「真上」、下側を「真下」と表記する。実際は、ピストン2の摺動方向を基準として、後述するクランクピンの方向や偏心カム部の偏心方向が規定されるので、これにしたがって読み替えれば良い。
In the following description, the
可変圧縮比機構1は、複数のリンクからなるリンク機構5や、リンク機構5の姿勢を変化させるピストン位置変更機構6などから構成されている。
The variable
リンク機構5は、ピストン2にピストンピン3を介して連結された第1リンクであるアッパリンク7と、アッパリンク7に第1連結ピン8を介して揺動可能に連結されると共に、クランクシャフト4のクランクピン9に回転可能に連結された第2リンクであるロアリンク10と、ロアリンク10に第2連結ピン11を介して揺動可能に連結されると共にコントロ−ルシャフト12の偏心カム部13に回転可能に連結された第3リンクであるコントロ−ルリンク14と、から構成されている。
The
また、クランクシャフト4の前端部には、図1及び図2に示すように、駆動回転体である小径な第1ギヤ歯車15が固定されている一方、コントロールシャフト12の前端部側に従動回転体である大径な第2ギヤ歯車16が設けられ、第1ギヤ歯車15と第2ギヤ歯車16が噛み合ってクランクシャフト4の回転力がピストン位置変更機構6を介してコントロールシャフト12に伝達されるようになっている。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a small-diameter
第1ギヤ歯車15は、外径が第2ギヤ歯車16の外径の約半分の大きさになっており、したがって、クランクシャフト4の回転速度は、第1ギヤ歯車15と第2ギヤ歯車16の外径差によってコントロールシャフト12に半分の角速度に減速して伝達されるようになっている。コントロールシャフト12は、ピストン位置変更機構6によって、第2ギヤ歯車16に対する位相が変化し、つまりクランクシャフト4に対して相対回転位相が変更されるようになっている。
The outer diameter of the
図2にあるように、クランクシャフト4とコントロールシャフト12は、シリンダブロックに設けられた共通の前後2つの軸受17、18によって回転自在に支持されている。また、偏心カム部13は、コントロ−ルリンク14の下端部に形成された大径部にニードルベアリング19を介して回転自在に連結されている。
As shown in FIG. 2, the
ピストン位置変更機構6は、例えば先に本出願人が出願した「特開2012−225287号公報」に記載された油圧式(ベーンタイプ)の可変動弁機構と同じ構造であり、以下簡単に説明する。 The piston position changing mechanism 6 has, for example, the same structure as the hydraulic (vane type) variable valve mechanism described in "Japanese Patent Laid-Open No. 2012-225287" filed by the present applicant, and will be briefly described below. To do.
このピストン位置変更機構6は、図2、及び図3(A)、(B)に示すように、第2ギヤ歯車16が固定されたハウジング20と、ハウジング20内に相対回転自在に収容され、コントロールシャフト12の一端部に固定されたベーンロータ21と、ベーンロータ21を油圧によって正逆回転させる油圧回路22と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3 (A) and 3 (B), the piston position changing mechanism 6 is housed in the
ハウジング20は、円筒状のハウジング本体20aの前端開口が円板状のフロントカバー23によって閉塞されていると共に、後端開口が円盤状のリアカバー24によって閉塞されている。また、ハウジング本体20aの内周面の周方向の約90°位置には、4つの隔壁であるシュー20bが内方に向かって突設されている。
In the
リアカバー24は、第2ギヤ歯車16の中央位置に両者一体に設けられ、外周部が4本のボルト25によってハウジング本体20aとフロントカバー23に共締め固定されている。また、リアカバー24のほぼ中央には、ベーンロータ21の円筒部に外周に軸受される大径な軸受孔24aが軸方向に貫通形成されている。
The
ベーンロータ21は、中央にボルト挿通孔を有する円筒状のロータ26と、ロータ26の外周面の周方向のほぼ90°位置に一体に設けられた4枚のベーン27とを備えている。ロータ26は、前端側の小径筒部26aがフロントカバー23の中央支持孔に回転自在に支持されている一方、後端側の小径な円筒部26bが前記リアカバー24の軸受孔24aに回転自在に支持されている。
The
また、ベーンロータ21は、ロータ26のボルト挿通孔に軸方向から挿通した固定ボルト28によってコントロールシャフト12の前端部に軸方向から固定されている。また、各ベーン27は、各シュー20b間に配置されていると共に、各外面の軸方向に形成された細長い保持溝内に前記ハウジング本体20aの内周面に摺接するシール部材及び該シール部材をハウジング本体内周面方向に押圧する板ばねが夫々嵌着保持されている。また、この各ベーン27の両側と各シュー20bの両側面との間に、それぞれ4つの進角室40と遅角室41がそれぞれ隔成されている。
Further, the
油圧回路22は、図2に示すように、各進角室40に対して作動油の油圧を給排する第1油圧通路29と、各遅角室41に対して作動油の油圧を給排する第2油圧通路30との2系統の油圧通路を有し、この両油圧通路29、30には、供給通路31とドレン通路32とが夫々通路切換用の電磁切換弁33を介して接続されている。供給通路31には、オイルパン34内の油を圧送する一方向のオイルポンプ35が設けられている一方、ドレン通路32の下流端がオイルパン34に連通している。
As shown in FIG. 2, the
第1、第2油圧通路29、30は、フロントカバー23側に設けられた通路構成部の内部に形成されており、各一端部が前記通路構成部のロータ26の小径筒部26aから内部の支持穴内に挿通配置された円柱部36を介して前記ロータ26内に連通している一方、他端部が前記電磁切換弁33に接続されている。
The first and second
第1油圧通路29は、各進角室40と連通する図示しない4本の分岐路とを備えている一方、第2油圧通路30は、各遅角室41と連通する第2油路とを備えている。電磁切換弁33は、4ポート3位置型であって、内部の弁体が各油圧通路29、30と供給通路31及びドレン通路32とを相対的に切り替え制御するように構成されていると共に、コントロールユニット37からの制御信号によって切り替え動作される。
The first
そして、電磁切換弁33の切り換え動作によって、各進角室40と各遅角室41に作動油を選択的に供給することによって、ベーンロータ21(コントロールシャフト12)をクランクシャフト4に対して相対的に回転位相(以下、相対回転位相と表記する)を変更させることができる。また、各遅角室41内には、ベーンロータ21を遅角方向へ常時付勢する4本のコイルスプリング42がそれぞれ装着されている。
Then, the vane rotor 21 (control shaft 12) is relative to the
図4(A)〜(C)は第2ギヤ歯車16とコントロ−ルシャフト12との相対回転位相を変化させた場合を示している。尚、この図では第1、第2ギヤ歯車15、16などは省略してある。この相対回転位相は、本実施形態では、前述のピストン位置変更機構6による相対回転位相変換制御により変化できるようになっているが、前記ベーンロータ21とコントロ−ルシャフト12(偏心カム部13)との取り付け関係を相対的に変えることによって行うこともできる。
FIGS. 4A to 4C show a case where the relative rotation phase of the
この図4では、図2に示すベーンロータ21とコントロ−ルシャフト12の相対回転位相を変えない状態でクランクシャフト4を図1での時計方向に回転して行き、クランクピン9が真上を向いた位置(クランク角X=0°で排気(吸気)上死点付近)から更に1回転して再度クランクピン9が真上を向いた位置(X=360°で圧縮上死点付近)での姿勢を示している。この時ピストン位置(高さ)は、圧縮上死点付近なので高い位置になっている。
In FIG. 4, the
このとき、図4の(A)では、偏心カム部13の偏心方向は、真上方向より時計方向に、例えば制御位相αは「α2=180」°だけ遅角した位置となっている。
At this time, in FIG. 4A, the eccentric direction of the
すなわち、偏心カム部13の偏心方向が真下付近になっている。ここで、偏心方向とはコントロールシャフト12の軸心から見て、コントロールシャフト12の偏心カム部13の外周面が最も遠い位置を結んだ線分の方向を意味している。
That is, the eccentric direction of the
また、図4の(B)では、偏心カム部13の偏心方向は、真上方向より時計方向に、例えば200°遅角しており、制御位相αは「α1=200°」となっている。これは図4の(A)に比べて20°遅角した状態(制御位相α2に比べて20°遅角した状態)であり、本実施形態では最遅角の制御位相αとなっている。
Further, in FIG. 4B, the eccentric direction of the
更に、図4の(C)では、後述する第2の実施形態で適用される制御位相αであり、偏心カム部13の偏心方向は、真上方向より時計方向に、例えば160°遅角しており、制御位相αは「α3=160°」となっている。これは図4の(A)の制御位相α2に比べて20°進角した状態(制御位相α1に比べて40°進角した状態)であり、本実施形態では最進角の制御位相αとなっている。
Further, in FIG. 4C, the control phase α is applied in the second embodiment described later, and the eccentric direction of the
すなわち、最も遅角している状態(最遅角)が図4の(B)であり、最も進角している状態(最進角)が図4の(C)であり、その中間にあるのが図4の(A)である。尚、偏心カム部13の回転方向が図4の(A)〜(C)では反時計方向なので、反時計方向が進角方向となっている。また、図4の(B)の状態における位相を制御位相(最遅角)α1、(A)の状態における位相を制御位相(中間角)α2、(C)の状態における位相を制御位相(最進角)α3と表記することもある。
That is, the most retarded state (least retarded angle) is (B) in FIG. 4, and the most advanced state (most advanced angle) is (C) in FIG. 4, which is in between. Is (A) in FIG. Since the rotation direction of the
ここで、例えば、図4の(B)に示す制御位相(最遅角)α1と図4の(A)に示す制御位相(中間角)α2の間を変換できる可変圧縮比機構1(リンク機構及びピストン位置変更機構)の作動について図3の(A)、(B)に基づいて説明する。 Here, for example, the variable compression ratio mechanism 1 (link mechanism) capable of converting between the control phase (latest angle) α1 shown in FIG. 4B and the control phase (intermediate angle) α2 shown in FIG. 4A. The operation of the piston position changing mechanism) will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.
この図3は図2を左側から見た図であり、第2ギヤ歯車16の回転方向は図3では時計方向となる。図3の(A)がピストン位置変更機構6のベーンロータ21の最遅角位置(制御位相α1と対応)を示し、図3の(B)が最進角位置(制御位相α2と対応)を示しており、この最遅角、最進角位置ともに最大拡巾のベーン27(27a)の両側部が隣接する各シュー20bの一側面と他側面に当接してストッパ(遅角側ストッパ、進角側ストッパ)により規制されるようになっている。
FIG. 3 is a view of FIG. 2 viewed from the left side, and the rotation direction of the
なお、図3の(B)に制御位相α2は本実施形態(第1の実施形態)では進角側ストッパにより規制される最進角制御位相であるが、後述する第2の実施形態における最進角制御位相α3よりは遅角であるので、この制御位相α2を中間角制御位相と表記することもあるのは前述の通りである。 In addition, in FIG. 3B, the control phase α2 is the most advanced angle control phase regulated by the advance angle side stopper in the present embodiment (first embodiment), but is the most in the second embodiment described later. Since the angle is slower than the advance control phase α3, the control phase α2 may be referred to as an intermediate angle control phase as described above.
ここで、ベーンロータ21は、各コイルスプリング42のばね力によって図3の(A)に示すように、最遅角位置付近で機械的に安定するようになっている。つまり、ピストン位置変更機構6すなわち可変圧縮比システムのデフォルト位置は最遅角位置となる。そして、ピストン位置変更機構6の位相変換角範囲αTを、「αT=α1−α2」、例えば20°(=200°−180°)とすれば、制御位相(中間角)α2と制御位相(最遅角)α1の間の変換角度で、所望の制御位相変換角範囲αTを実現できる。更に、上述の最遅角位置(デフォルト位置)が、図4の制御位相(最遅角)α1と一致するように、ベーンロータ21とコントロ−ルシャフト12との取り付け位相を設定すると、所望の位相変換(α1⇔α2)が実現できる。
Here, the
また、後述する第2実施形態では、ピストン位置変更機構6の位相変換角範囲αTを、「αT=α1−α3」、例えば40°(=200°−160°)とすれば、制御位相(最進角)α3と制御位相(最遅角)α1の間の変換角度で、所望の制御位相換角範囲αTを実現できる。 Further, in the second embodiment described later, if the phase conversion angle range αT of the piston position changing mechanism 6 is “αT = α1-α3”, for example, 40 ° (= 200 ° −160 °), the control phase (maximum). The desired control phase conversion angle range αT can be realized by the conversion angle between the advance angle (advance angle) α3 and the control phase (latest angle) α1.
図5はピストン位置の変化特性を示している。ここで、クランク角Xが「0°」では、クランクピン9が真上に位置しており、この付近で、ピストン2の吸気(排気)上死点となっている。ここで、吸気(排気)上死点の表記は、排気行程終了の上死点とそれに続く吸気行程開始の上死点が同一であり、排気上死点であり吸気上死点でもあることを意味している。
FIG. 5 shows the change characteristic of the piston position. Here, when the crank angle X is "0 °", the
クランク角Xが「0°」からクランクシャフト4が図1中時計方向に回転し始めると、図5において排気バルブリフトカ−ブ(ye)に示すように排気バルブEVは完全に閉じ、また「0°」前から開作動を開始していた吸気バルブIVの吸気バルブリフトカ−ブ(yi)は更にリフトを増加し、吸気ポ−トより新気(或いは混合気)の吸入を行う。次に、クランク角Xが「180°」となった付近で吸気下死点となり、この付近で吸気バルブIVのリフトは僅かとなる。ここで、吸気上死点から吸気下死点までを吸気行程という。
When the
更に、クランクシャフト4が回転すると、吸気バルブIVは完全に閉じられると共に、筒内の混合気が圧縮されて、クランク角Xが「360°」となった位置(クランクピン9が再度真上位置)の付近で、圧縮上死点になる。ここで、吸気下死点から圧縮上死点までを圧縮行程という。
Further, when the
この圧縮上死点付近で、火花点火(または圧縮着火)が行なわれて燃焼が開始され、その燃焼圧がピストン2を押し下げていき、クランク角Xが「540°」付近で膨張下死点となる。ここで、圧縮上死点から膨張下死点までを膨張行程という。
Spark ignition (or compression ignition) is performed near this compression top dead center, combustion is started, the combustion pressure pushes down the
この膨張下死点付近で、排気バルブEVが開作動を開始し、ピストン2の再上昇と共に燃焼ガス(排気ガス)を排気ポ−トより排出し、再び排気(吸気)上死点付近であるクランク角Xが「720°(=0°)」の位置(クランクピン9が真上位置)に戻る。ここで、膨張下死点から排気(吸気)上死点までを排気行程という。
Near this expansion bottom dead center, the exhaust valve EV starts to open, the combustion gas (exhaust gas) is discharged from the exhaust port as the
以上のように本実施形態では、4サイクル機関としての作動が行われ、クランク角(X)720°を1周期とする周期的な作動になっている。本実施形態ではクランク角(X)720°を1周期としているので、機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)を異ならせることができる。 As described above, in the present embodiment, the operation as a four-cycle engine is performed, and the operation is periodic with the crank angle (X) 720 ° as one cycle. In the present embodiment, since the crank angle (X) 720 ° is set as one cycle, the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) can be made different.
例えば、以下に説明するように、内燃機関の負荷が所定部分負荷より高いときの機械膨張比(εE)に対して、内燃機関の負荷が所定部分負荷よりも低いときの機械膨張比(εE)を小さく制御することによって、所定部分負荷より高い負荷領域、及び低い負荷領域の両負荷領域において燃費性能を向上できる。 For example, as described below, the mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is higher than the predetermined partial load, whereas the mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is lower than the predetermined partial load. By controlling the fuel consumption to a small value, the fuel efficiency can be improved in both the load region higher than the predetermined partial load and the load region lower than the predetermined partial load.
つまり、所定部分負荷より負荷が高い負荷領域では、高機械膨張比(εE)によって膨張正仕事を増加して熱効率の向上を図り、また所定部分負荷より負荷が低い負荷領域では、機械膨張比(εE)を小さくすることで、高機械膨張比を維持したままだと発生する膨張行程後期のポンプ損失を低減して、熱効率の向上を図ることで、所定部分負荷より高い負荷領域、及び低い負荷領域の両負荷領域において燃費性能を向上することができる。 That is, in the load region where the load is higher than the predetermined partial load, the expansion positive work is increased by the high mechanical expansion ratio (εE) to improve the thermal efficiency, and in the load region where the load is lower than the predetermined partial load, the mechanical expansion ratio (εE) By reducing εE), the pump loss in the latter half of the expansion stroke that occurs when the high mechanical expansion ratio is maintained is reduced, and by improving the thermal efficiency, the load region higher than the predetermined partial load and the load lower than the predetermined partial load are achieved. Fuel performance can be improved in both load areas.
図5において、太い実線α2は、図4の(A)の制御位相(中間角)α2でのピストンストローク特性(ピストン冠面位置変化特性)を示し、破線は図4(B)の制御位相(最遅角)α1でのピストンストローク特性(ピストン冠面位置変化特性)を示している。尚、細い実線α3は、図4の(C)の制御位相(最進角)α3でのピストンストローク特性(ピストン冠面位置変化特性)を示しているが、これについては後述する。なお、第1実施形態においては、制御位相はα1〜α2の間で変換され、後述する第2実施形態では、α1〜α3の間で変換される。 In FIG. 5, the thick solid line α2 indicates the piston stroke characteristic (piston crown surface position change characteristic) at the control phase (intermediate angle) α2 of FIG. 4 (A), and the broken line indicates the control phase (between) of FIG. 4 (B). The piston stroke characteristic (piston crown surface position change characteristic) at α1 (latest angle) is shown. The thin solid line α3 shows the piston stroke characteristic (piston crown surface position change characteristic) at the control phase (advance angle) α3 of FIG. 4 (C), which will be described later. In the first embodiment, the control phase is converted between α1 and α2, and in the second embodiment described later, the control phase is converted between α1 and α3.
制御位相(中間角)α2でのピストンストローク特性と、制御位相(最遅角)α1でのピストンストローク特性においては、共に圧縮上死点でのピストン位置(Y02、Y01)は実質的にほぼ同一(Y0とする)であり、膨張下死点でのピストン位置、及び吸気下死点でのピストン位置はそれぞれ異なっている。また、両者とも、膨張下死点でのピストン位置の方が吸気下死点でのピストン位置より低くなる設定とされている。 In both the piston stroke characteristic at the control phase (intermediate angle) α2 and the piston stroke characteristic at the control phase (latest angle) α1, the piston positions (Y02, Y01) at the compression top dead center are substantially the same. (Y0), and the piston position at the expansion bottom dead center and the piston position at the intake bottom dead center are different from each other. Further, in both cases, the piston position at the expansion bottom dead center is set to be lower than the piston position at the intake bottom dead center.
圧縮上死点での気筒内容積(V)は、制御位相(中間角)α2と制御位相(最遅角)α1において、前述の圧縮上死点でのピストン位置(Y0)により決まる気筒内容積(V0)となる。この気筒内容積(V0)とは、詳しくは、圧縮上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室内面形状(含む吸排気バルブの傘表形状)と、ピストン冠面と、シリンダブロック内径と、図示しないヘッドガスケット等に囲まれた容積、つまり、圧縮上死点における気体(混合気)の容積、すなわち筒内容積になる。 The cylinder internal volume (V) at the compression top dead center is determined by the piston position (Y0) at the compression top dead center in the control phase (intermediate angle) α2 and the control phase (latest angle) α1. It becomes (V0). The cylinder internal volume (V0) is shown in detail, at the compression top dead center, the shape of the combustion chamber surface on the cylinder head side (including the shape of the intake / exhaust valve umbrella surface), the piston crown surface, and the cylinder block inner diameter. It is the volume surrounded by the head gasket etc., that is, the volume of the gas (air-fuel mixture) at the compression top dead center, that is, the in-cylinder volume.
図5に示す制御位相(中間角)α2の特性では、吸気下死点のピストン位置はピストン位置(YC2)であり、圧縮上死点からの長さは圧縮ストローク(LC2)である。一方、膨張下死点のピストン位置はピストン位置(YE2)であり、圧縮上死点からの長さは膨張ストロ−ク(LE2)である。 In the characteristics of the control phase (intermediate angle) α2 shown in FIG. 5, the piston position at the intake bottom dead center is the piston position (YC2), and the length from the compression top dead center is the compression stroke (LC2). On the other hand, the piston position at the expansion bottom dead center is the piston position (YE2), and the length from the compression top dead center is the expansion stroke (LE2).
ここで、吸気(排気)上死点においては、制御位相(最遅角)α1でのピストン位置はピストン位置(Y´01)であり、制御位相(中間角)α2でのピストン位置はピストン位置(Y´02)であり、また後述する第2実施形態での制御位相α3(最進角)でのピストン位置はピストン位置(Y´03)である。そして、夫々のピストン位置の高さは、「Y´01≒Y´02<Y´03」の関係を有している。またその時の吸気ストロークは「LI1>LI2>LI3」の関係を有している。 Here, at the intake (exhaust) top dead center, the piston position at the control phase (latest angle) α1 is the piston position (Y'01), and the piston position at the control phase (intermediate angle) α2 is the piston position. (Y'02), and the piston position at the control phase α3 (advance angle) in the second embodiment described later is the piston position (Y'03). The heights of the respective piston positions have a relationship of "Y'01 ≒ Y'02 <Y'03". Further, the intake stroke at that time has a relationship of "LI1> LI2> LI3".
また、燃焼後の吸気(排気)上死点においては、制御位相(最遅角)α1でのピストン位置は前述のピストン位置(Y´01)と同一であり、制御位相(中間角)α2でのピストン位置は前述のピストン位置(Y´02)と同一であり、制御位相α3(最進角)でのピストン位置は前述のピストン位置(Y´03)と同一である。そして、夫々のピストン位置の高さは、前述の「Y´01≒Y´02<Y´03」の関係を有している。またその時の排気ストロークは「LO1<LO2<LO3」の関係を有している。 Further, at the intake (exhaust) top dead center after combustion, the piston position at the control phase (latest angle) α1 is the same as the piston position (Y'01) described above, and the control phase (intermediate angle) α2. The piston position is the same as the above-mentioned piston position (Y'02), and the piston position in the control phase α3 (advance angle) is the same as the above-mentioned piston position (Y'03). The height of each piston position has the above-mentioned relationship of "Y'01 ≒ Y'02 <Y'03". Further, the exhaust stroke at that time has a relationship of "LO1 <LO2 <LO3".
次に、制御位相(中間角)α2での機械圧縮比(εC)である機械圧縮比(εC2)と、制御位相(中間角)α2での機械膨張比(εE)である機械膨張比(εE2)について説明する。 Next, the mechanical compression ratio (εC2), which is the mechanical compression ratio (εC) at the control phase (intermediate angle) α2, and the mechanical expansion ratio (εE2), which is the mechanical expansion ratio (εE) at the control phase (intermediate angle) α2. ) Will be explained.
ボア(シリンダ内径)の面積を「S」とすると、吸気下死点での気筒内容積(VC2)は、「VC2=V0+S×LC2」となる。したがって、機械圧縮比比(εC2)は「εC2=VC2÷V0=(V0+S×LC2)÷V0」となる。一方、膨張下死点での気筒内容積(VE2)は、「VE2=V0+S×LE2」となる。したがって、機械膨張比(εE2)は「εE2=VE2÷V0=(V0+S×LE2)÷V0」となる。 Assuming that the area of the bore (cylinder inner diameter) is "S", the cylinder internal volume (VC2) at the intake bottom dead center is "VC2 = V0 + S x LC2". Therefore, the mechanical compression ratio (εC2) is “εC2 = VC2 ÷ V0 = (V0 + S × LC2) ÷ V0”. On the other hand, the cylinder internal volume (VE2) at the expansion bottom dead center is “VE2 = V0 + S × LE2”. Therefore, the mechanical expansion ratio (εE2) is “εE2 = VE2 ÷ V0 = (V0 + S × LE2) ÷ V0”.
尚、図5に示すように、圧縮ストローク(LC2)と膨張ストロ−ク(LE2)とは、「LC2<LE2」の関係を有しているため、機械圧縮比比(εC2)と機械膨張比(εE2)も「εC2<εE2」の関係を有している。機械圧縮比(εC2)、及び機械膨張比(εE2)の絶対値について考えると、圧縮上死点での気筒内容積(V0)の値によって変化するが、機械圧縮比比(εC2)と機械膨張比(εE2)との間の「εC2<εE2」の関係は崩れない。 As shown in FIG. 5, since the compression stroke (LC2) and the expansion stroke (LE2) have a relationship of “LC2 <LE2”, the mechanical compression ratio (εC2) and the expansion ratio (εC2) εE2) also has a relationship of “εC2 <εE2”. Considering the absolute values of the mechanical compression ratio (εC2) and the mechanical expansion ratio (εE2), the mechanical compression ratio (εC2) and the mechanical expansion ratio vary depending on the value of the cylinder internal volume (V0) at the compression top dead center. The relationship of "εC2 <εE2" with (εE2) is not broken.
ここで、圧縮上死点での気筒内容積(V0)の値を適宜選んだ結果として、例えば機械圧縮比(εC)が「εC2=13.0」、機械膨張比(εE)が「εE2=17.6」になったとする。尚、機械圧縮比(εC)が「εC2=13.0」という値は一般的な値だが、機械膨張比(εE)が「εE2=17.6」という値は充分に高い値である。この高機械膨張比(εE2)により、所定部分負荷(中負荷と呼ぶ場合もある)以上では、大きな熱効率の向上(燃費性能の向上)を図ることができる。これについては後述する。 Here, as a result of appropriately selecting the value of the cylinder internal volume (V0) at the compression top dead center, for example, the mechanical compression ratio (εC) is “εC2 = 13.0” and the mechanical expansion ratio (εE) is “εE2 =”. 17.6 ”. The mechanical compression ratio (εC) of "εC2 = 13.0" is a general value, but the mechanical expansion ratio (εE) of "εE2 = 17.6" is a sufficiently high value. Due to this high mechanical expansion ratio (εE2), it is possible to greatly improve thermal efficiency (improve fuel efficiency) above a predetermined partial load (sometimes called a medium load). This will be described later.
また、図5に示す制御位相(最遅角)α1の特性では、吸気下死点のピストン位置はピストン位置(YC1)であり、圧縮上死点からの長さは圧縮ストローク(LC1)である。一方、膨張下死点のピストン位置はピストン位置(YE1)であり、圧縮上死点からの長さは膨張ストロ−ク(LE1)である。 Further, in the characteristics of the control phase (latest angle) α1 shown in FIG. 5, the piston position at the intake bottom dead center is the piston position (YC1), and the length from the compression top dead center is the compression stroke (LC1). .. On the other hand, the piston position at the expansion bottom dead center is the piston position (YE1), and the length from the compression top dead center is the expansion stroke (LE1).
次に、制御位相(最遅角)α1での機械圧縮比(εC)である機械圧縮比(εC1)と、制御位相(最遅角)α1での機械膨張比(εE)である機械膨張比(εE1)について説明する。 Next, the mechanical compression ratio (εC1), which is the mechanical compression ratio (εC) at the control phase (latest angle) α1, and the mechanical expansion ratio (εE), which is the mechanical expansion ratio (εE) at the control phase (latest angle) α1. (ΕE1) will be described.
ボア(シリンダ内径)の面積は同じ「S」なので、吸気下死点での気筒内容積(VC1)は、「VC1=V0+S×LC1」となる。したがって、機械圧縮比(εC1)は「εC1=VC1÷V0=(V0+S×LC1)÷V0」となる。一方、膨張下死点での気筒内容積(VE1)は、「VE1=V0+S×LE1」となる。したがって、機械膨張比(εE1)は「εE1=VE1÷V0=(V0+S×LE1)÷V0」となる。 Since the area of the bore (cylinder inner diameter) is the same "S", the cylinder internal volume (VC1) at the intake bottom dead center is "VC1 = V0 + S x LC1". Therefore, the mechanical compression ratio (εC1) is “εC1 = VC1 ÷ V0 = (V0 + S × LC1) ÷ V0”. On the other hand, the cylinder internal volume (VE1) at the expansion bottom dead center is “VE1 = V0 + S × LE1”. Therefore, the mechanical expansion ratio (εE1) is “εE1 = VE1 ÷ V0 = (V0 + S × LE1) ÷ V0”.
ここで、圧縮上死点での燃焼室容積V0は、α2でのピストン圧縮上死点位置Y02とα1でのピストン圧縮上死点位置Y01とがほぼ同一(Y0)として、同一の燃焼室容積V0としてεC及びεEを計算したが、もしY02とY01との間に有意差があった場合には、両者異なったV0を用いてεC及びεEを計算すれば良い。 Here, the combustion chamber volume V0 at the compression top dead center is the same combustion chamber volume, assuming that the piston compression top dead center position Y02 at α2 and the piston compression top dead center position Y01 at α1 are substantially the same (Y0). ΕC and εE were calculated as V0, but if there is a significant difference between Y02 and Y01, εC and εE may be calculated using different V0s.
尚、図5に示すように、圧縮ストローク(LC1)と膨張ストロ−ク(LE1)とは、「LC1<LE1」の関係を有しているため、機械圧縮比比(εC1)と機械膨張比(εE1)も「εC1<εE1」の関係を有している。機械圧縮比(εC1)、及び機械膨張比(εE1)の絶対値について考えると、圧縮上死点での気筒内容積(V0)の値によって変化するが、機械圧縮比比(εC1)と機械膨張比(εE1)との間の「εC1<εE1」の関係は崩れない。 As shown in FIG. 5, since the compression stroke (LC1) and the expansion stroke (LE1) have a relationship of “LC1 <LE1”, the mechanical compression ratio (εC1) and the expansion ratio (εC1) εE1) also has a relationship of “εC1 <εE1”. Considering the absolute values of the mechanical compression ratio (εC1) and the mechanical expansion ratio (εE1), it changes depending on the value of the cylinder internal volume (V0) at the compression top dead center, but the mechanical compression ratio (εC1) and the mechanical expansion ratio The relationship of "εC1 <εE1" with (εE1) is not broken.
ここで、図5から分かるように、制御位相(最遅角)α1と制御位相(中間角)α2における圧縮ストローク(LC)は「LC1>LC2」の関係を有し、膨張ストローク(LE)は「LE1<LE2」の関係を有している。したがって、制御位相(最遅角)α1の機械圧縮比(εC1)は、制御位相(中間角)α2の機械圧縮比(εC2)より大きく、制御位相(最遅角)α1の機械膨張比(εE1)は、制御位相(中間角)α2の機械膨張比(εE2)より小さくなる。 Here, as can be seen from FIG. 5, the compression stroke (LC) in the control phase (latest angle) α1 and the control phase (intermediate angle) α2 has a relationship of “LC1> LC2”, and the expansion stroke (LE) is It has a relationship of "LE1 <LE2". Therefore, the mechanical compression ratio (εC1) of the control phase (latest angle) α1 is larger than the mechanical compression ratio (εC2) of the control phase (intermediate angle) α2, and the mechanical expansion ratio (εE1) of the control phase (latest angle) α1. ) Is smaller than the mechanical expansion ratio (εE2) of the control phase (intermediate angle) α2.
上述した例で述べたように、圧縮上死点での気筒内容積(V0)の値を、燃焼室の形状やピストン冠面形状を適宜選んだ結果として、例えば機械圧縮比(εC)が「εC2=13.0」、機械膨張比(εE)が「εE2=17.6」になったとすると、同じ燃焼室の形状やピストン冠面形状に対して、すなわちほぼ同じ圧縮上死点での気筒内容積(V0)に対して、例えば機械圧縮比(εC)が「εC1=13.8」、機械膨張比(εE)が「εE1=16.3」となる。これにより、所定部分負荷より低負荷領域での燃費性能を向上することができる。尚、これについては後述する。 As described in the above example, as a result of appropriately selecting the value of the cylinder internal volume (V0) at the compression top dead center, the shape of the combustion chamber and the shape of the piston crown, for example, the mechanical compression ratio (εC) is ". Assuming that εC2 = 13.0 ”and the mechanical expansion ratio (εE) is“ εE2 = 17.6 ”, the cylinders have the same combustion chamber shape and piston crown surface shape, that is, cylinders at almost the same compression top dead center. For example, the mechanical compression ratio (εC) is “εC1 = 13.8” and the mechanical expansion ratio (εE) is “εE1 = 16.3” with respect to the internal volume (V0). As a result, the fuel efficiency performance in a load region lower than the predetermined partial load can be improved. This will be described later.
ここで、図5に示される圧縮ストローク(LC)が「LC1>LC2」、膨張ストローク(LE)が「LE1<LE2」の関係になる理由であるが、図6に示す作動姿勢の説明から理解することができる。 Here, the reason why the compression stroke (LC) shown in FIG. 5 has a relationship of "LC1> LC2" and the expansion stroke (LE) has a relationship of "LE1 <LE2" is understood from the explanation of the operating posture shown in FIG. can do.
図6においては、燃焼サイクルの進行に対応してピストンの上死点/下死点位置を定める可変圧縮比機構1の各構成要件の作動状態を示している。図6の(A)は吸気(排気)上死点、図6の(B)は吸気下死点、図6の(C)は圧縮上死点、図6の(D)は膨張下死点における、可変圧縮比機構1の偏心カム部13の偏心方向によってピストン位置が決定されることを示している。
FIG. 6 shows the operating state of each component of the variable
尚、本実施形態で特に重要なピストン位置は、図6の(B)に示す吸気下死点と、図6の(D)に示す膨張下死点であるので、以下ではこれについて重点的をおき説明する。 The piston positions that are particularly important in this embodiment are the intake bottom dead center shown in FIG. 6 (B) and the expansion bottom dead center shown in FIG. 6 (D). I will explain it every time.
図6の(B)に示す吸気下死点における偏心カムの偏心方向αCについてみると、制御位相(中間角)α2での偏心方向αC2に対して、制御位相(最遅角)α1での偏心方向αC1は遅角されている。このため、制御位相α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を右上に押し上げ、ロアリンク10を時計方向に回動させてアッパリンク7を介してピストン2を引き下げるので、圧縮ストローク(LC1)が制御位相(中間角)α2での圧縮ストローク(LC2)より大きくなる。
Looking at the eccentric direction αC of the eccentric cam at the intake bottom dead center shown in FIG. 6B, the eccentricity in the control phase (latest angle) α1 is relative to the eccentric direction αC2 in the control phase (intermediate angle) α2. Direction αC1 is retarded. Therefore, the connecting
一方、制御位相(中間角)α2での偏心方向αC2に対して、後述する実施形態2に対応する制御位相(最進角)α3での偏心方向αC3は逆に進角されている。このため、制御位相(中間角)α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を左下に引き下げ、ロアリンク10を反時計方向に回動させてアッパリンク7を介してピストン2を押し上げるので、圧縮ストローク(LC3)が制御位相(中間角)α2での圧縮ストローク(LC2)より小さくなる。
On the other hand, the eccentric direction αC3 in the control phase (maximum angle) α3 corresponding to the second embodiment described later is advanced in the opposite direction to the eccentric direction αC2 in the control phase (intermediate angle) α2. Therefore, the connecting
次に、図6の(D)に示す膨張下死点における偏心カムの偏心方向αEについてみると、制御位相(中間角)α2での偏心方向αE2に対して、制御位相(最遅角)α1での偏心方向αE1は遅角されている。このため、制御位相α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を左下に引き下げ、ロアリンク10を反時計方向に回動させてアッパリンク7を介してピストン2を押し上げるので、膨張ストローク(LE1)が制御位相(中間角)α2での膨張ストローク(LE2)より小さくなる。
Next, looking at the eccentric direction αE of the eccentric cam at the expansion bottom dead center shown in FIG. 6 (D), the control phase (latest angle) α1 with respect to the eccentric direction αE2 at the control phase (intermediate angle) α2. The eccentric direction αE1 in is retarded. Therefore, the connecting
一方、制御位相(中間角)α2での偏心方向αE2に対して、後述する実施形態2に対応する制御位相(最進角)α3での偏心方向αE3は逆に進角されている。このため、制御位相(中間角)α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を右上に押し上げ、ロアリンク10を時計方向に回動させてアッパリンク7を介してピストン2を引き下げるので、膨張ストローク(LE3)が制御位相(中間角)α2での膨張ストローク(LE2)より大きくなる。
On the other hand, the eccentric direction αE3 in the control phase (maximum angle) α3 corresponding to the second embodiment described later is advanced in the opposite direction to the eccentric direction αE2 in the control phase (intermediate angle) α2. Therefore, the connecting
このように、図6に示す可変圧縮比機構1のリンク角特性によって、制御位相(最遅角)α1と 制御位相(中間角)α2の圧縮ストローク(LC)を、「LC1>LC2」の関係に設定でき、同様に膨張ストローク(LE)を、「LE1<LE2」の関係に設定できる。したがって、機械圧縮比(εC)を「εC1>εC2」に設定でき、機械膨張比(εE)を「εE1<εE2」に設定できる。尚、後述する実施形態2に対応する制御位相(最進角)α3についての詳細は後述する。
As described above, according to the link angle characteristic of the variable
このように、可変圧縮比機構1のリンク角特性によって、機械圧縮比(εC)を「εC1>εC2」に設定でき、また機械膨張比(εE)を「εE1<εE2」に設定できるので、内燃機関の負荷(トルク)に対応して、機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)を制御してやれば、内燃機関の性能、ここでは特に燃費性能を向上することが可能となる。
In this way, the mechanical compression ratio (εC) can be set to "εC1> εC2" and the mechanical expansion ratio (εE) can be set to "εE1 <εE2" by the link angle characteristic of the variable
次に負荷(トルク)に対する機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)に関する具体的な制御について説明する。図7は、負荷(トルク)に対応した機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)の負荷制御マップを示している。 Next, specific control regarding the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) with respect to the load (torque) will be described. FIG. 7 shows a load control map of the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) corresponding to the load (torque).
図7において、縦軸に負荷(トルク)の大きさを示しており、負荷(トルク)としては、「無負荷(T0)(クランキング、停止時を含む)」、「低負荷(T1)」、「部分負荷(T2)」、「高負荷(2.5)」、「全負荷(T3)」に分類分けしている。ここで、「部分負荷(T2)」を本実施形態では「所定部分負荷」と定義している。そして、例えば「無負荷(T0)」〜[全負荷(T3)]までを100%の負荷(トルク)とした場合、代表的には「低負荷(T1)」は例えば20%、「部分負荷(T2)」は例えば50%、「高負荷(2.5)」は例えば75%、「全負荷(T3)」は100%を目安としている。 In FIG. 7, the vertical axis indicates the magnitude of the load (torque), and the load (torque) is "no load (T0) (including cranking and stop)" and "low load (T1)". , "Partial load (T2)", "High load (2.5)", and "Full load (T3)". Here, "partial load (T2)" is defined as "predetermined partial load" in this embodiment. Then, for example, when "no load (T0)" to [total load (T3)] is set to 100% load (torque), "low load (T1)" is typically 20%, "partial load". "(T2)" is, for example, 50%, "high load (2.5)" is, for example, 75%, and "total load (T3)" is 100%.
したがって、「無負荷(T0)」〜「低負荷(T1)」、「低負荷(T1)」〜「部分負荷(T2)」、「部分負荷(T2)」〜「高負荷(T2.5)」、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」の間は、負荷(トルク)が順次増えていくものである。尚、負荷(トルク)の値は例示的なものであり、これに限定されるものではない。また、負荷(トルク)は、代表的にはアクセルペダルの踏み込み量、スロットルバルブの開き角、空気流量等のパラメータを利用して設定することができる。 Therefore, "no load (T0)" to "low load (T1)", "low load (T1)" to "partial load (T2)", "partial load (T2)" to "high load (T2.5)" , "High load (T2.5)" to "Full load (T3)", the load (torque) gradually increases. The load (torque) value is an example and is not limited to this. Further, the load (torque) can be typically set by using parameters such as the amount of depression of the accelerator pedal, the opening angle of the throttle valve, and the air flow rate.
本実施形態では、図7の実線で示すように機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)が設定されている。特徴的なのは所定の「部分負荷(T2)」を境にして機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)が変更されていることである。 In this embodiment, the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) are set as shown by the solid line in FIG. What is characteristic is that the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) are changed with a predetermined “partial load (T2)” as a boundary.
つまり、「無負荷(T0)」〜「低負荷(T1)」までは、機械圧縮比(εCt0〜εCt1)、及び機械膨張比(εEt0〜εEt1)に設定されており、「εCt0=εCt1」、「εEt0=εEt1」の関係を有している。 That is, from "no load (T0)" to "low load (T1)", the mechanical compression ratio (εCt0 to εCt1) and the mechanical expansion ratio (εEt0 to εEt1) are set, and "εCt0 = εCt1", It has a relationship of "εEt0 = εEt1".
また、「低負荷(T1)」〜「部分負荷(T2)」までは、機械圧縮比(εCt1〜εCt2)、及び機械膨張比(εEt1〜εEt2)に設定されており、負荷(トルク)の増加に対応して機械圧縮比(εC)は小さくなり、機械膨張比(εE)は大きくなっている。 Further, from "low load (T1)" to "partial load (T2)", the mechanical compression ratio (εCt1 to εCt2) and the mechanical expansion ratio (εEt1 to εEt2) are set, and the load (torque) increases. The mechanical compression ratio (εC) is smaller and the mechanical expansion ratio (εE) is larger.
また、「部分負荷(T2)」〜「高負荷(T2.5)」までは、機械圧縮比(εCt2〜εCt2.5)、及び機械膨張比(εEt2〜εEt2.5)に設定されており、「εCt2=εCt2.5」、「εEt2=εEt2.5」の関係を有している。 Further, from "partial load (T2)" to "high load (T2.5)", the mechanical compression ratio (εCt2 to εCt2.5) and the mechanical expansion ratio (εEt2 to εEt2.5) are set. It has a relationship of "εCt2 = εCt2.5" and "εEt2 = εEt2.5".
更に、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」までは、機械圧縮比(εCt2.5〜εCt3)、及び機械膨張比(εEt2.5〜εEt3)に設定されており、「εCt2.5=εCt3」、「εEt2.5=εEt3」の関係を有している。 Further, from "high load (T2.5)" to "total load (T3)", the mechanical compression ratio (εCt2.5 to εCt3) and the mechanical expansion ratio (εEt2.5 to εEt3) are set. It has a relationship of "εCt2.5 = εCt3" and "εEt2.5 = εEt3".
次に夫々の負荷(トルク)での機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)について説明する。先ず、「部分負荷(T2)」以上では、機械膨張比(εE)は大きな機械膨張比(εEt2=εEt3)、例えば前述のεE2に対応した「17.6」に設定され、また、機械圧縮比(εC)は、通常レベルの機械圧縮比(εCt2=εCt3)、例えば前述のεC2に対応した「13.0」に設定されている。これにより、大きな熱効率の向上(燃費性能の向上)を図ることができる。その理由を図8のPV線図を用いて説明する。 Next, the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) at each load (torque) will be described. First, above the "partial load (T2)", the mechanical expansion ratio (εE) is set to a large mechanical expansion ratio (εEt2 = εEt3), for example, "17.6" corresponding to the above-mentioned εE2, and the mechanical compression ratio. (εC) is set to a normal level mechanical compression ratio (εCt2 = εCt3), for example, “13.0” corresponding to the above-mentioned εC2. As a result, it is possible to greatly improve the thermal efficiency (improve the fuel efficiency). The reason will be described with reference to the PV diagram of FIG.
図8において、上段に「全負荷(T3)」でのPV線図を示しており、左側の欄に機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)が等しい(εC=εE)の通常のオットーサイクルを示し、右側の欄に本実施形態になる機械膨張比(εE)が機械圧縮比(εC)より大きい(εC<εE)の高膨張比サイクルを示している。 In FIG. 8, the PV diagram at "full load (T3)" is shown in the upper row, and the normal mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) are equal (εC = εE) in the left column. The Otto cycle is shown, and the column on the right side shows the high expansion ratio cycle in which the mechanical expansion ratio (εE) according to the present embodiment is larger than the mechanical compression ratio (εC) (εC <εE).
左側のオットーサイクルでは、「圧縮開始⇒燃焼⇒膨張⇒排気開始」までの時計回りで正仕事が行われ、囲まれる面積が正仕事量(+)になる。一方、「排気開始⇒吸入⇒圧縮開始」までの反時計回りで負仕事量(吸気損失というポンプ損失)も発生するが、スロットルバルブが全開にされた全負荷ではこの吸気損失は殆ど発生しない。 In the Otto cycle on the left side, regular work is performed clockwise from "compression start ⇒ combustion ⇒ expansion ⇒ exhaust start", and the enclosed area becomes the regular work amount (+). On the other hand, a negative work amount (pump loss called intake loss) occurs counterclockwise from "exhaust start ⇒ intake ⇒ compression start", but this intake loss hardly occurs at full load when the throttle valve is fully opened.
これに対して、右側の高膨張比サイクルを見ると、正仕事量(+)が大幅に増加している。すなわち、例えば機械膨張比(εEt3)がεE2に対応した「17.6」と大きくされて膨張ストローク(LE2)が増加したことで、燃焼による膨張正仕事量(+)自体が大きくなって、熱効率が高くなる。 On the other hand, looking at the high expansion ratio cycle on the right side, the amount of regular work (+) has increased significantly. That is, for example, the mechanical expansion ratio (εEt3) is increased to “17.6” corresponding to εE2 and the expansion stroke (LE2) is increased, so that the expansion positive work amount (+) itself due to combustion is increased and the thermal efficiency is increased. Will be higher.
つまり、「高εEよる仕事増(+)」と表示されている面積の機関仕事量を増やすことができる。これによって、同じ量の燃料による燃焼であっても、大きな仕事を行うことができるものであり、燃費性能も大幅に向上することができる。 In other words, it is possible to increase the amount of engine work in the area displayed as "Increase in work due to high εE (+)". As a result, even if combustion is performed with the same amount of fuel, a large amount of work can be performed, and fuel efficiency can be significantly improved.
したがって、本実施形態における高膨張比サイクルは、大きな機械膨張比(εEt3=例えば17.6)と、通常レベルの機械圧縮比(εCt3=例えば13.0)に設定されており、通常レベルの機械膨張比(εEt3=例えば13.0)と、通常レベルの機械圧縮比(εCt3=例えば13.0)に設定されたオットーサイクルに対して、充分な熱効率の向上(燃費性能の向上)を図ることができる。 Therefore, the high expansion ratio cycle in this embodiment is set to a large mechanical expansion ratio (εEt3 = for example 17.6) and a normal level mechanical compression ratio (εCt3 = for example 13.0), and is a normal level machine. Sufficient improvement in thermal efficiency (improvement in fuel efficiency) for the Otto cycle set to the expansion ratio (εEt3 = for example 13.0) and the normal level mechanical compression ratio (εCt3 = for example 13.0). Can be done.
次に、中段に示す「部分負荷(T2)」でのPV線図について説明する。「部分負荷(T2)」においては、スロットルバルブを少し閉じてスロットル開度を少し低減して負荷(トルク)を下げていくと、最大燃焼圧(P)が低下していくことになる。 Next, the PV diagram at the “partial load (T2)” shown in the middle row will be described. In the "partial load (T2)", when the throttle valve is closed a little and the throttle opening is slightly reduced to lower the load (torque), the maximum combustion pressure (P) is lowered.
そして、左側のオットーサイクルにおいては、最大燃焼圧(P)が低下するので上述した正仕事量(+)は、「全負荷(T3)」の場合に比べると減少する。また、スロットルバルブが少し閉じられるので、吸気損失(吸気行程のポンプ損失)が増加して負仕事量(−)が増加する。 Then, in the Otto cycle on the left side, the maximum combustion pressure (P) decreases, so that the above-mentioned positive work amount (+) decreases as compared with the case of "full load (T3)". Further, since the throttle valve is closed a little, the intake loss (pump loss in the intake stroke) increases and the negative work amount (−) increases.
これに対して、右側の高膨張サイクルにおいても、オットーサイクルと同様に、スロットルバルブを少し閉じてスロットル開度を少し低減して負荷(トルク)を下げていくと、最大燃焼圧(P)が低下していくので、上述の正仕事量(+)は「全負荷(T3)」の場合に比べると減少する。しかしながら、「全負荷(T3)」と同様に膨張ストローク(LE)が増加したことで、燃焼による膨張正仕事量(+)自体が大きくなって、熱効率が高くなる。 On the other hand, even in the high expansion cycle on the right side, the maximum combustion pressure (P) increases when the throttle valve is closed a little and the throttle opening is slightly reduced to reduce the load (torque), as in the Otto cycle. Since it decreases, the above-mentioned regular work amount (+) decreases as compared with the case of "total load (T3)". However, since the expansion stroke (LE) is increased as in the "total load (T3)", the expansion positive work amount (+) itself due to combustion is increased, and the thermal efficiency is increased.
つまり、「高εEよる仕事増(+)」と表示されている面積の機関仕事量を増やすことができる。これによって、通常のオットーサイクルに対して、充分な燃費性能の向上を図ることができる。尚、「全負荷(T3)」に対して吸気損失が増加したのは、オットーサイクルと同様の理由である。 In other words, it is possible to increase the amount of engine work in the area displayed as "Increase in work due to high εE (+)". As a result, it is possible to sufficiently improve the fuel efficiency performance with respect to the normal Otto cycle. The reason why the intake loss increased with respect to the "total load (T3)" is the same as the Otto cycle.
次に、下段に示す「低負荷(T1)」でのPV線図について説明する。「低負荷(T1)」においては、スロットルバルブを更に閉じてスロットル開度を低減して負荷(トルク)を下げていくと、最大燃焼圧(P)が更に低下していくことになる。 Next, the PV diagram at "low load (T1)" shown in the lower part will be described. In the "low load (T1)", when the throttle valve is further closed to reduce the throttle opening degree and the load (torque) is lowered, the maximum combustion pressure (P) is further reduced.
そして、左側のオットーサイクルにおいては、最大燃焼圧(P)が低下するので上述した正仕事量(+)は、「部分負荷(T2)」の場合に比べると更に減少する。また、スロットルバルブが更に閉じられるので、吸気損失(吸気行程のポンプ損失)が増加して負仕事量(−)が増加する。 Then, in the Otto cycle on the left side, the maximum combustion pressure (P) decreases, so that the above-mentioned positive work amount (+) is further reduced as compared with the case of "partial load (T2)". Further, since the throttle valve is further closed, the intake loss (pump loss in the intake stroke) increases and the negative work amount (−) increases.
これに対して、右側の高膨張サイクルにおいても、オットーサイクルと同様に、スロットルバルブを更に閉じてスロットル開度を低減して負荷(トルク)を下げていくと、最大燃焼圧(P)が更に低下していくので、上述の正仕事量(+)は「部分負荷(T2)」の場合に比べると減少する。 On the other hand, even in the high expansion cycle on the right side, as in the Otto cycle, if the throttle valve is further closed to reduce the throttle opening and the load (torque) is lowered, the maximum combustion pressure (P) is further increased. Since it decreases, the above-mentioned regular work amount (+) decreases as compared with the case of "partial load (T2)".
ここで注目すべきことは、機械膨張比(εE)を「全負荷(T3)」や「部分負荷(T2)」のように大きなままにしていると、膨張ストローク(LE)が長くなり、最大燃焼圧(P)が低下している「低負荷(T1)」の状態では、膨張行程の後期には燃焼室の燃焼圧が大気圧未満(いわゆる負圧)まで低下する現象を生じる。 It should be noted here that if the mechanical expansion ratio (εE) is left as large as “full load (T3)” or “partial load (T2)”, the expansion stroke (LE) becomes long and the maximum. In the "low load (T1)" state in which the combustion pressure (P) is decreasing, a phenomenon occurs in which the combustion pressure in the combustion chamber decreases to less than atmospheric pressure (so-called negative pressure) in the latter stage of the expansion stroke.
したがって、この燃焼室に発生した負圧によって、ピストンの下降動作にブレーキがかかることで逆に特異なポンプ損失(P損)が発生するようになる。右側の高膨張比サイクルの上段側に示した「高εEによる損失(P損)(−)」と記載された三角形の領域が、膨張行程の後期に発生する負圧によるポンプ損失として表されている。 Therefore, the negative pressure generated in the combustion chamber brakes the lowering operation of the piston, so that a peculiar pump loss (P loss) is conversely generated. The triangular region described as "loss due to high εE (P loss) (-)" shown on the upper side of the high expansion ratio cycle on the right side is expressed as the pump loss due to the negative pressure generated in the latter half of the expansion stroke. There is.
これに対応するために、本実施形態では「低負荷(T1)」では機械膨張比(εE)を「部分負荷(T2)」や「全負荷(T3)」に比べて小さくして、膨張ストローク(LE)を短くするようにしている。本実施形態では「低負荷(T1)」における機械膨張比(εE)は「εEt1=16.3」に設定され、機械圧縮比(εC)は「εCt1=13.8」に設定される。尚、「低負荷(T1)」での機械膨張比(εEt1=16.3)でも、通常のオットーサイクルでの機械膨張比(εEt1=13.0)より大きい値に設定されている。 In order to cope with this, in the present embodiment, in the "low load (T1)", the mechanical expansion ratio (εE) is made smaller than the "partial load (T2)" and the "full load (T3)", and the expansion stroke (LE) is shortened. In the present embodiment, the mechanical expansion ratio (εE) in the “low load (T1)” is set to “εEt1 = 16.3”, and the mechanical compression ratio (εC) is set to “εCt1 = 13.8”. Even the mechanical expansion ratio (εEt1 = 16.3) at "low load (T1)" is set to a value larger than the mechanical expansion ratio (εEt1 = 13.0) in the normal Otto cycle.
本実施形態の「部分負荷(T2)」では、ピストンの膨張下死点付近での燃焼圧が大気圧付近になるような、高機械膨張比(εE)となっており、それが前述の17.6である。こうすることで、「部分負荷(T2)」以上の負荷領域で、この高機械膨張比(εE)により熱効率を向上しつつ、「部分負荷(T2)」における膨張行程後期の筒内負圧によるポンプ損失を低減ないし実質除去することができる。 In the "partial load (T2)" of the present embodiment, the high mechanical expansion ratio (εE) is set so that the combustion pressure near the expansion bottom dead center of the piston is near the atmospheric pressure, which is the above-mentioned 17 It is 0.6. By doing so, in the load region above the "partial load (T2)", the thermal efficiency is improved by this high mechanical expansion ratio (εE), and due to the negative pressure in the cylinder in the latter stage of the expansion stroke in the "partial load (T2)". Pump loss can be reduced or substantially eliminated.
図8の右側の下段の下側に[本実施形態]として表示しているPV線図のように、「低負荷(T1)」では機械膨張比(εE)を「部分負荷(T2)」や「全負荷(T3)」に比べて小さくして、膨張ストローク(LE)を短くするようにしているので、右側の高膨張比サイクルの下段の上側に示した「高εEによる損失(P損)(-)」と記載された三角形の領域の負仕事量を無くすことができる(下段の下側の[本実施形態])。 As shown in the PV diagram displayed as [the present embodiment] on the lower side of the lower part on the right side of FIG. 8, the mechanical expansion ratio (εE) is set to “partial load (T2)” in “low load (T1)”. Since the expansion stroke (LE) is shortened by making it smaller than the "total load (T3)", the "loss (P loss) due to high εE" shown in the upper part of the lower part of the high expansion ratio cycle on the right side is shown. The amount of negative work in the triangular area described as "(-)" can be eliminated ([this embodiment] on the lower side of the lower row).
更に、高機械膨張比(εE)よりやや小さい機械膨張比(εE)であっても、通常のオットーサイクルの機械膨張比(εE)よりは大きい中程度の機械膨張比(εE)( 下段の下側の[本実施形態]では「中εEによる仕事増(+)」で表示している)となっており、機械膨張比(εE)をオットーサイクル比べて大きくしたことよる正仕事量(+)の増加を図ることができる。これは、図7に示すように「部分負荷(T2)」から「低負荷(T1)」に移行すると、高機械膨張比(εEt2=例えば前述εE2の17.6)から、中機械膨張比(εEt1=例えば前述εE1の16.3)に移行することに対応する。 Furthermore, even if the mechanical expansion ratio (εE) is slightly smaller than the high mechanical expansion ratio (εE), it is larger than the mechanical expansion ratio (εE) of the normal Otto cycle. In [this embodiment] on the side, it is indicated by "increased work by medium εE (+)"), and the positive work amount (+) due to the increase in the mechanical expansion ratio (εE) compared to the Otto cycle. Can be increased. This is because when shifting from "partial load (T2)" to "low load (T1)" as shown in FIG. 7, the high mechanical expansion ratio (εEt2 = for example, 17.6 of the above-mentioned εE2) is changed to the medium mechanical expansion ratio ( εEt1 = For example, it corresponds to the transition to 16.3) of εE1 described above.
図7の負荷(トルク)と機械圧縮比、及び機械膨張比の負荷制御マップに戻り、更に説明を加える。「部分負荷(T2)」から「全負に(T3)」にかけて、機械膨張比(εE)は、一定の高い機械膨張比(εEt2=εEt3)、例えば前述εE2の「17.6」に設定され、また機械圧縮比(εC)は、一定の高い機械圧縮比(εCt2=εCt3)、例えば前述εC2の「13.0」に設定される。この制御特性は、上述の図5に示す制御位相α2により形成されるピストン位置特性に対応する。そして、この高機械膨張比(εEt2=εEt3)により、充分な熱効率の向上(燃費性能の向上)を図ることができるのは上述の通りである。 Returning to the load control map of the load (torque), the mechanical compression ratio, and the mechanical expansion ratio of FIG. 7, further explanation will be added. From "partial load (T2)" to "totally negative (T3)", the mechanical expansion ratio (εE) is set to a constant high mechanical expansion ratio (εEt2 = εEt3), for example, "17.6" of the above-mentioned εE2. Further, the mechanical compression ratio (εC) is set to a constant high mechanical compression ratio (εCt2 = εCt3), for example, “13.0” of the above-mentioned εC2. This control characteristic corresponds to the piston position characteristic formed by the control phase α2 shown in FIG. 5 above. As described above, the high mechanical expansion ratio (εEt2 = εEt3) makes it possible to sufficiently improve the thermal efficiency (improve the fuel efficiency).
次に、この「部分負荷(T2)」より負荷(トルク)が低下すると、図7に示すように膨張行程のピストン下死点付近で筒内圧(燃焼圧)が大気圧より低下するのを抑制するため、機械膨張比(εE)を小さくしていくことになる。例えばこの「部分負荷(T2)」とは、膨張下死点における筒内圧(燃焼圧)が大気圧付近となる負荷(トルク)であり、「全負荷(T3)」の半分(T3/2)付近、或いはそれよりやや低負荷側の負荷(トルク)に相当するものである。「部分負荷(T2)」の具体的な目安としては、全負荷の55%から25%程度であり、この範囲の中で、膨張行程のピストン下死点付近の筒内圧(燃焼圧)を容易に大気圧に近づけることができる。 Next, when the load (torque) is lower than this "partial load (T2)", as shown in FIG. 7, it is suppressed that the in-cylinder pressure (combustion pressure) is lower than the atmospheric pressure near the bottom dead center of the piston in the expansion stroke. Therefore, the mechanical expansion ratio (εE) will be reduced. For example, this "partial load (T2)" is a load (torque) at which the in-cylinder pressure (combustion pressure) at the expansion bottom dead center is near the atmospheric pressure, which is half of the "total load (T3)" (T3 / 2). It corresponds to the load (torque) in the vicinity or on the slightly lower load side. As a specific guideline for "partial load (T2)", it is about 55% to 25% of the total load, and within this range, the in-cylinder pressure (combustion pressure) near the bottom dead center of the piston in the expansion stroke is easy. Can approach atmospheric pressure.
そして、内燃機関の負荷(トルク)が「低負荷(T1)」まで低下すると、機械膨張比(εE)は中機械膨張比(εEt1=例えば前述のεE1の16.3)に設定される。これによって、上述したように膨張行程の後期の負圧によるポンプ損失を除去、低減、或いは抑制し、且つ機械膨張比(εE)の可及的な増加(中機械膨張比は、通常オットーサイクルでの機械膨張比よりは大きな値に設定)による正仕事量(+)を得ることができ、燃費性能を向上することができる。 Then, when the load (torque) of the internal combustion engine drops to "low load (T1)", the mechanical expansion ratio (εE) is set to the medium mechanical expansion ratio (εEt1 = for example, 16.3 of εE1 described above). As described above, the pump loss due to the negative pressure in the latter stage of the expansion stroke is eliminated, reduced or suppressed, and the mechanical expansion ratio (εE) is increased as much as possible (the medium mechanical expansion ratio is usually in the Otto cycle). It is possible to obtain a positive work load (+) due to (set to a value larger than the mechanical expansion ratio of), and it is possible to improve fuel efficiency.
ここで、図7にあるように「低負荷(T1)」においては、機械圧縮比(εCt1)は、例えば前述のεC1の「13.8」とやや大きくなっている。これにより更に「低負荷(T1)」での燃費性能を向上することができる。 Here, as shown in FIG. 7, in the “low load (T1)”, the mechanical compression ratio (εCt1) is slightly larger than, for example, “13.8” of the above-mentioned εC1. As a result, the fuel efficiency performance at "low load (T1)" can be further improved.
すなわち、「低負荷(T1)」では圧縮行程の圧縮上死点における混合気の筒内温度が、「部分負荷(T2)」と比較すると低い傾向があり、燃焼が悪化する課題がある。これに対して、機械圧縮比(εC)を「13.8」に高めることで、圧縮上死点における混合気の筒内温度を高めて燃焼を改善させ、結果的に「低負荷(T1)」での燃焼を改善し、「低負荷(T1)」における燃費性能を更に向上することができる。 That is, in the "low load (T1)", the in-cylinder temperature of the air-fuel mixture at the compression top dead center of the compression stroke tends to be lower than that in the "partial load (T2)", and there is a problem that combustion deteriorates. On the other hand, by increasing the mechanical compression ratio (εC) to "13.8", the in-cylinder temperature of the air-fuel mixture at the compression top dead center is increased to improve combustion, resulting in "low load (T1)". It is possible to improve the combustion at "low load (T1)" and further improve the fuel efficiency performance at "low load (T1)".
尚、図8の下段の右側に示すPV線図にあるように、「低負荷(T1)」における「吸気損失(P損)(−)」は、スロットルバルブのスロットル開度を絞ったことによるポンプ損失である。このため、さらに吸気側に可変バルブタイミング機構を用いて、吸気バルブの閉時期を下死点から離す方向に制御を行えば、スロットルバルブによらない負荷(トルク)の低減(吸入空気量の低減)ができる。よって、この領域の損失も低減できて更に燃費性能を向上することができる。 As shown in the PV diagram on the lower right side of FIG. 8, the "intake loss (P loss) (-)" in the "low load (T1)" is due to the throttle opening of the throttle valve being throttled. Pump loss. Therefore, if a variable valve timing mechanism is used on the intake side to control the closing timing of the intake valve in a direction away from bottom dead center, the load (torque) that does not depend on the throttle valve can be reduced (reduction of the intake air amount). ) Can be done. Therefore, the loss in this region can be reduced, and the fuel efficiency can be further improved.
再び図7に戻るが、「低負荷(T1)」から更に負荷(トルク)を低減して、機関停止を含む「無負荷(T0)」に至っても、特に機械圧縮比(εC)を大きくせず機械圧縮比(εC1)付近の13.8に維持されているので、機械圧縮比(εC)と機械膨張比(εE)は、「εC<εE」の関係が維持されている。図7の説明から理解できるように、本実施形態においては機械圧縮比(εC)の可変範囲における最高機械圧縮比(εC)maxと、機械膨張比(εE)の可変範囲における最低機械膨張比(εE)minの関係が、「(εC)max<(εE)min」に設定されている。 Returning to FIG. 7 again, even if the load (torque) is further reduced from the “low load (T1)” to reach the “no load (T0)” including the engine stop, the mechanical compression ratio (εC) is particularly increased. Since it is maintained at 13.8 near the mechanical compression ratio (εC1), the relationship between the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) is maintained as “εC <εE”. As can be understood from the explanation of FIG. 7, in the present embodiment, the maximum mechanical compression ratio (εC) max in the variable range of the mechanical compression ratio (εC) and the minimum mechanical expansion ratio (εC) in the variable range of the mechanical expansion ratio (εE) The relationship of εE) min is set to "(εC) max <(εE) min".
これによって、始動クランキング時における、初回圧縮上死点筒内圧低減効果いわゆるデコンプレッション効果により、静かで円滑な始動を行なうことができる。ここで、この機械圧縮比(εC1)は、可変圧縮比機構1すなわちピストン位置変更機構6の前述のデフォルト位置(機械的安定位置)である制御位相(最遅角)α1に対応している。このため、機関停止時もこの機械圧縮比(εC1)に元々なっており、「機関停止⇒クランキング⇒無負荷運転」に至る一連の作動過程において、可変圧縮比機構1すなわちピストン位置変更機構6の制御を行なわないで済み、確実で安定した円滑な静粛始動を実行できる。
As a result, a quiet and smooth start can be performed by the effect of reducing the pressure inside the cylinder at the first compression top dead center during the start cranking, the so-called decompression effect. Here, this mechanical compression ratio (εC1) corresponds to the control phase (latest angle) α1, which is the above-mentioned default position (mechanically stable position) of the variable
さらに、「(εC)max<(εE)min」となっているので、万一制御系に異常が発生した場合であっても、確実に「(εC)<(εE)」となるので、デコンプレッション効果を維持でき、始動性を確保できる。 Furthermore, since "(εC) max <(εE) min" is set, even if an abnormality should occur in the control system, "(εC) <(εE)" is surely set. The compression effect can be maintained and startability can be ensured.
このように、本実施形態においては、所定部分負荷(ここでは「部分負荷(T2)」)より負荷(トルク)が高い負荷領域(ここでは「高負荷(T2.5)」、「全負荷(T3)」)では、高機械膨張比(εE)を設定することにより正仕事量(+)を増加して熱効率の向上(燃費性能の向上)を図っている。 As described above, in the present embodiment, the load region (here, “high load (T2.5)”, “total load (T2)”) in which the load (torque) is higher than the predetermined partial load (here, “partial load (T2)”) In T3) ”), by setting a high mechanical expansion ratio (εE), the amount of regular work (+) is increased to improve thermal efficiency (improvement of fuel efficiency).
更に、「部分負荷(T2)」より負荷(トルク)が低い負荷領域(ここでは「低負荷(T1)」を経由し「無負荷(T0)」に至る領域)では、機械膨張比(εE)を低下することで、高機械膨張比(εE)を維持したままだと発生する上述の「膨張行程の後期のポンプ損失」を低減できる。 Further, in the load region where the load (torque) is lower than the "partial load (T2)" (here, the region where the load (T1) is reached to the "no load (T0)" via the "low load (T1)"), the mechanical expansion ratio (εE) By reducing the above-mentioned "pump loss in the latter stage of the expansion stroke" that occurs when the high mechanical expansion ratio (εE) is maintained, it is possible to reduce.
このように、本実施形態によれば、所定部分負荷より高い負荷領域、及び低い負荷領域の両領域において燃費性能を向上することができる。 As described above, according to the present embodiment, the fuel efficiency can be improved in both the load region higher than the predetermined partial load and the load region lower than the predetermined partial load.
次に本発明の第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態は、制御位相の変換範囲をα1〜α2の領域(第1の実施形態)から、α1〜α3の領域に拡大したものである。そして、図5に示す制御位相(最進角)α3の制御を「全負荷(T3)」で実行する点で第1の実施形態と異なっている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this second embodiment, the conversion range of the control phase is expanded from the region of α1 to α2 (the first embodiment) to the region of α1 to α3. The control phase (maximum advance angle) α3 shown in FIG. 5 is controlled by the “full load (T3)”, which is different from the first embodiment.
第2の実施形態は、図7において、所定の「高負荷(T2.5)」を越えると、機械膨張比(εE)が「部分負荷(T2)」での機械膨張比(εEt2=εE2)より更に大きくなり、破線で示すように「全負荷(T3)」では最大の機械膨張比(εEt3=εE3)である、例えば「17.9」に設定される。この場合、「高負荷(T2.5)」から「全負荷(T3)」までは、機械膨張比(εE2)から機械膨張比(εE3)まで連続的に大きくなる設定とされている。 In the second embodiment, in FIG. 7, when the predetermined “high load (T2.5)” is exceeded, the mechanical expansion ratio (εE) is the “partial load (T2)” mechanical expansion ratio (εEt2 = εE2). As shown by the broken line, it is set to the maximum mechanical expansion ratio (εEt3 = εE3) at “total load (T3)”, for example, “17.9”. In this case, from "high load (T2.5)" to "total load (T3)", it is set to continuously increase from the mechanical expansion ratio (εE2) to the mechanical expansion ratio (εE3).
同様に機械圧縮比(εC)は、「部分負荷(T2)」での機械圧縮比(εCt2=εC2)より更に減少していき、「全負荷(T3)」では最小の機械圧縮比(εCt3=εC3=例えば12.2)となる。破線で示すように、「全負荷(T3)」では最小の機械圧縮比(εC3)である、「12.2」に設定される。この場合、「高負荷(T2.5)」から「全負荷(T3)」までは、機械圧縮比(εC2)から機械圧縮比(εC3)まで連続的に小さくなる設定とされている。 Similarly, the mechanical compression ratio (εC) further decreases from the mechanical compression ratio (εCt2 = εC2) at the “partial load (T2)”, and the minimum mechanical compression ratio (εCt3 =) at the “total load (T3)”. εC3 = for example 12.2). As shown by the broken line, it is set to "12.2", which is the minimum mechanical compression ratio (εC3) in "total load (T3)". In this case, from "high load (T2.5)" to "total load (T3)", it is set to be continuously reduced from the mechanical compression ratio (εC2) to the mechanical compression ratio (εC3).
このような設定によって、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」に亘って、更なる燃費性能の向上を図ることができる。すなわち、機械膨張比(εE)が第1の実施形態に比べて更に大きくなるので、図8の上段の右側のPV線図に示すような「高εEによる正仕事増(+)」を更に増やすことができ、結果的に熱効率の向上(燃費性能の向上)を更に向上することができる。また、更なる高機械膨張比(εE3)とすることにより、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」で問題となる排気ガス温度の上昇も抑制することができる。 With such a setting, it is possible to further improve the fuel efficiency performance from "high load (T2.5)" to "total load (T3)". That is, since the mechanical expansion ratio (εE) is further larger than that of the first embodiment, the “increased positive work (+) due to high εE” as shown in the PV diagram on the right side of the upper part of FIG. 8 is further increased. As a result, the improvement of thermal efficiency (improvement of fuel efficiency) can be further improved. Further, by setting the mechanical expansion ratio (εE3) to a higher value, it is possible to suppress an increase in the exhaust gas temperature, which is a problem in the “high load (T2.5)” to “total load (T3)”.
更に、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」にかけてノッキングが発生し易くなるが、このノッキングを抑制するために点火時期の遅角を余儀なくされ、結果として燃費性能の悪化や発生トルクの低下を生じ易かった。 Further, knocking is likely to occur from "high load (T2.5)" to "full load (T3)", but in order to suppress this knocking, the ignition timing is obliged to be retarded, resulting in deterioration of fuel efficiency. And the generated torque was likely to decrease.
これに対して、本実施形態系では械圧縮比(εC)が「12.2」に小さく設定されているので、圧縮上死点の燃焼ガス温度が低下して、ノッキングが発生し難くなるので点火時期を進角することが可能となる。これによって、更に燃費性能を向上でき、発生トルクの絶対値を高めることができる。 On the other hand, in the system of the present embodiment, the mechanical compression ratio (εC) is set small to "12.2", so that the combustion gas temperature at the compression top dead center is lowered and knocking is less likely to occur. It is possible to advance the ignition timing. As a result, the fuel efficiency performance can be further improved, and the absolute value of the generated torque can be increased.
更に、排気温度も更に低下できるので、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」で問題となる高温の排気ガスによる熱害(触媒熱劣化、排気系統の耐熱問題)を更に抑制することができる。 Furthermore, since the exhaust temperature can be further lowered, heat damage due to high-temperature exhaust gas (catalytic heat deterioration, heat resistance problem of the exhaust system), which is a problem in "high load (T2.5)" to "full load (T3)", can be solved. It can be further suppressed.
また、図7の負荷(トルク)と機械圧縮比、及び機械膨張比の負荷制御マップであるが、単一のマップでなく、機関回転数毎に異なったマップを持たせることも可能である。そうすれば、より緻密な制御が可能となる。 Further, although the load control map of the load (torque), the mechanical compression ratio, and the mechanical expansion ratio shown in FIG. 7, it is possible to have different maps for each engine speed instead of a single map. Then, more precise control becomes possible.
次に可変圧縮比機構1について説明を補足する。第1の実施形態では、制御位相(最遅角)α1から制御位相(中間角)α2まで変換して、機械圧縮比(εC1、εC2)、及び機械膨張比(εE1、εE2)を得るようにしており、制御位相αの変換角度範囲αT(=α1−α2)は例えば20°であり、比較的小さいものであった。
Next, the description of the variable
これに対し、本実施形態では、制御位相(最遅角)α1から制御位相(最進角)α3まで変換して、機械圧縮比(εC1〜εC3)、及び機械膨張比(εE1〜εE3)を得ることができ、制御位相αの変換角度範囲αT(=α1−α3)は例えば40°であり、第1の実施形態に比べて2倍程度に増加させることができる。ここで、図7の「部分負荷(T2)」に対応する制御位相(中間角)α2は、制御位相(最遅角)α1から制御位相(最進角)α3の間の中間位置付近となっている。 On the other hand, in the present embodiment, the control phase (latest angle) α1 is converted to the control phase (maximum advance angle) α3 to obtain the mechanical compression ratio (εC1 to εC3) and the mechanical expansion ratio (εE1 to εE3). It can be obtained, and the conversion angle range αT (= α1-α3) of the control phase α is, for example, 40 °, which can be increased to about twice that of the first embodiment. Here, the control phase (intermediate angle) α2 corresponding to the “partial load (T2)” in FIG. 7 is near the intermediate position between the control phase (latest angle) α1 and the control phase (advance angle) α3. ing.
図4にあるように、第1の実施形態では、制御位相(最遅角)α1から制御位相(中間角)α2までの位相変換であったが、本実施形態では、制御位相(最遅角)α1から制御位相(最進角)α3までの位相変換が可能となり、変換範囲が拡大されることになる。 As shown in FIG. 4, in the first embodiment, the phase conversion is from the control phase (latest angle) α1 to the control phase (intermediate angle) α2, but in the present embodiment, the control phase (latest angle) ) Phase conversion from α1 to the control phase (advance angle) α3 becomes possible, and the conversion range is expanded.
制御位相(最進角)α3におけるピストン位置変化特性を図5の細い実線でしている。図5において、膨張下死点におけるピストン位置(YE3)は、制御位相(中間角)α2のピストン位置(YE2)よりさらに低い位置となり、膨張ストローク(LE3)は、制御位相(中間角)α2の膨張ストローク(LE2)よりさらに大きなものとなる。その結果、機械膨張比(εE3)は、例えば「17.9」に設定され、制御位相(中間角)α2の機械膨張比(εE2)、例えば「17.6」より大きなものとなる。 The piston position change characteristic at the control phase (maximum advance angle) α3 is shown by the thin solid line in FIG. In FIG. 5, the piston position (YE3) at the expansion bottom dead center is further lower than the piston position (YE2) of the control phase (intermediate angle) α2, and the expansion stroke (LE3) is the control phase (intermediate angle) α2. It is even larger than the expansion stroke (LE2). As a result, the mechanical expansion ratio (εE3) is set to, for example, "17.9", and is larger than the mechanical expansion ratio (εE2) of the control phase (intermediate angle) α2, for example, "17.6".
一方、吸気下死点におけるピストン位置(YC3)は、制御位相(中間角)α2のピストン位置(YC2)よりさらに高い位置となり、圧縮ストローク(LC3)は、制御位相(中間角)α2の圧縮ストローク(LC2)よりさらに小さいものとなる。その結果、機械圧縮比(εC3)は、例えば「12.2」に設定され、制御位相(中間角)α2の機械圧縮比(εC2)、例えば「13.0」よりさらに小さなものとなる。 On the other hand, the piston position (YC3) at the intake bottom dead center is higher than the piston position (YC2) of the control phase (intermediate angle) α2, and the compression stroke (LC3) is the compression stroke of the control phase (intermediate angle) α2. It will be even smaller than (LC2). As a result, the mechanical compression ratio (εC3) is set to, for example, “12.2”, which is even smaller than the mechanical compression ratio (εC2) of the control phase (intermediate angle) α2, for example, “13.0”.
ここで、図5に示される圧縮ストローク(LC)が「LC2>LC3」、膨張ストローク(LE)が「LE2<LE3」の関係になる理由であるが、図6に示す作動姿勢の説明から理解することができる。 Here, the reason why the compression stroke (LC) shown in FIG. 5 has a relationship of “LC2> LC3” and the expansion stroke (LE) has a relationship of “LE2 <LE3” is understood from the explanation of the operating posture shown in FIG. can do.
図6の(B)に示す吸気下死点における偏心カムの偏心方向αCについてみると、制御位相(中間角)α2での偏心方向αC2に対して、制御位相(最進角)α3での偏心方向αC3は20°だけさらに進角されている。このため、制御位相α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を左下に引き下げ、ロアリンク10を反時計方向に回動させてアッパリンク7を上方に押し上げてピストン2を更に押し上げるので、圧縮ストローク(LC3)が制御位相(中間角)α2での圧縮ストローク(LC2)より小さくなる。これによって、機械圧縮比(εC3)が更に小さくなる。
Looking at the eccentric direction αC of the eccentric cam at the intake bottom dead center shown in FIG. 6B, the eccentricity in the control phase (advance angle) α3 is relative to the eccentric direction αC2 in the control phase (intermediate angle) α2. The direction αC3 is further advanced by 20 °. Therefore, the connecting
次に、図6の(D)に示す膨張下死点における偏心カムの偏心方向αEについてみると、制御位相(中間角)α2での偏心方向αE2に対して、制御位相(最進角)α3での偏心方向αE3は20°だけさらに進角されている。このため、制御位相(中間角)α2に対して相対的にコントロールリンク14の連結ピン11を右上に押し上げ、ロアリンク10を時計方向に回動させてアッパリンク7を介してピストン2を引き下げるので、膨張ストローク(LE3)が制御位相(中間角)α2での膨張ストローク(LE2)より大きくなる。これによって、機械膨張比(εE3)が更に大きくなる
このように、図6に示す可変圧縮比機構1のリンク角特性によって、制御位相(中間角)α2と制御位相(最進角)α3の圧縮ストローク(LC)を、「LC2>LC3」の関係に設定でき、同様に膨張ストローク(LE)を、「LE2<LE3」の関係に設定できる。したがって、機械圧縮比(εC)を「εC2>εC3」に設定でき、機械膨張比(εE)を「εE2<εE3」に設定できる。
Next, looking at the eccentric direction αE of the eccentric cam at the expansion bottom dead center shown in FIG. 6 (D), the control phase (advance angle) α3 is relative to the eccentric direction αE2 at the control phase (intermediate angle) α2. The eccentric direction αE3 at is further advanced by 20 °. Therefore, the connecting
このように、可変圧縮比機構1のリンク角特性によって、機械圧縮比(εC)を「εC2>εC3」に設定でき、また機械膨張比(εE)を「εE2<εE3」に設定できるので、「全負荷(T3)」での正仕事量(+)を大幅に増加することができる。すなわち、T3での機械膨張比(εEt3)がεE3の「17.9」と大きくされて、更に膨張ストローク(LE3)が増加したことで、燃焼による膨張正仕事量(+)自体が大きくなって、熱効率が高くなる。
In this way, the mechanical compression ratio (εC) can be set to "εC2> εC3" and the mechanical expansion ratio (εE) can be set to "εE2 <εE3" by the link angle characteristic of the variable
また、本実施形態系ではT3での械械圧縮比(εCt3)がεC3の「12.2」に小さく設定されているので、圧縮上死点の燃焼ガス温度が低下して、ノッキングが発生し難くなるので点火時期を進角することが可能となる。これによって、更に燃費性能を向上でき、発生トルクの絶対値を高めることができる。 Further, in the present embodiment system, the mechanical compression ratio (εCt3) at T3 is set small to “12.2” of εC3, so that the combustion gas temperature at the compression top dead center drops and knocking occurs. Since it becomes difficult, it is possible to advance the ignition timing. As a result, the fuel efficiency performance can be further improved, and the absolute value of the generated torque can be increased.
更に、排気ガス温度も更に低下でき、「高負荷(T2.5)」〜「全負荷(T3)」で問題となる高温の排気ガスによる熱害(触媒熱劣化、排気系統の耐熱問題)を更に抑制することができる。 Furthermore, the exhaust gas temperature can be further lowered, causing heat damage (catalytic heat deterioration, heat resistance problem of the exhaust system) caused by high-temperature exhaust gas, which is a problem in "high load (T2.5)" to "full load (T3)". It can be further suppressed.
次に、上述した圧縮比調整機構を使用して、第2の実施形態をベースにして、運転状態に対応した具体的な制御について図9を用いて説明する。 Next, using the compression ratio adjusting mechanism described above, specific control corresponding to the operating state will be described with reference to FIG. 9 based on the second embodiment.
ここでは、前述の図7において、無負荷(T0)〜高負荷(T2.5)までは実線のようなεCεE変化特性となり、高負荷(T2.5)〜全負荷(T3)までは破線の特性となる第2の実施形態を基礎として説明する。高負荷(T2.5)〜全負荷(T3)までが実線となる第1の実施形態を基礎とする場合も同様であるが、ここでは第2の実施形態を基礎に説明する。 Here, in FIG. 7 described above, the εCεE change characteristic as shown by the solid line is obtained from no load (T0) to high load (T2.5), and the broken line is shown from high load (T2.5) to full load (T3). The second embodiment, which is a characteristic, will be described as a basis. The same applies to the case where the first embodiment in which the high load (T2.5) to the full load (T3) is a solid line is used as a basis, but here, the second embodiment will be described as a basis.
図9ではその具体的な制御フローチャート示している。尚、以下の制御フローは、自動車の電源スイッチが投入されて制御装置のマイクロコンピュータが立ち上げられた後の制御フローである。 FIG. 9 shows a specific control flowchart thereof. The following control flow is a control flow after the power switch of the automobile is turned on and the microcomputer of the control device is started up.
≪ステップS10≫
ステップS10においては、内燃機関の運転状態を読み込んでおり、少なくともスタータモータを駆動する信号が取り込まれている。この他には内燃機関の温度等が読み込まれている。運転条件の読み込みが完了するとステップS11に移行する。
≪Step S10≫
In step S10, the operating state of the internal combustion engine is read, and at least a signal for driving the starter motor is captured. In addition to this, the temperature of the internal combustion engine and the like are read. When the reading of the operating conditions is completed, the process proceeds to step S11.
≪ステップS11≫
ステップS11においては、内燃機関の始動条件が成立したかどうかが判断されている。この始動条件の判断は、スタータスイッチの入力状態や、スタータモータの駆動信号の立ち上がり等を監視することで行うことができる。始動条件と判断されるとステップS12に移行し、既に内燃機関が始動された後と判断されるとステップS15に移行する。
<< Step S11 >>
In step S11, it is determined whether or not the starting condition of the internal combustion engine is satisfied. The determination of the starting condition can be performed by monitoring the input state of the starter switch, the rise of the drive signal of the starter motor, and the like. If it is determined that the starting condition is satisfied, the process proceeds to step S12, and if it is determined that the internal combustion engine has already been started, the process proceeds to step S15.
≪ステップS12≫、≪ステップS13≫、≪ステップS14≫
ステップS11で始動条件が成立しているので、ステップS12〜ステップS14では始動制御が実行される。
<< Step S12 >>, << Step S13 >>, << Step S14 >>
Since the start condition is satisfied in step S11, the start control is executed in steps S12 to S14.
ステップS12においては、内燃機関の始動に適した目標制御位相α1に制御される。ただ、この目標制御位置α1は、可変圧縮比機構1によってデフォルト位置(最遅角位置)である制御位相(最遅角)α1に機械的に安定している。このため、停止状態からクランキングを経て始動制御に至る過程で、制御位相(最遅角)α1に安定しているので、確実で安定した始動が行える。
In step S12, the target control phase α1 suitable for starting the internal combustion engine is controlled. However, the target control position α1 is mechanically stable at the control phase (latest angle) α1 which is the default position (latest angle position) by the variable
そして、この状態でステップS13,ステップS14でクランキング制御、及び始動制御を実行する。クランキング制御はスタータモータによってクランキングを実行するものであり、始動制御は燃料噴射制御や点火制御を実行して内燃機関を始動するものである。 Then, in this state, cranking control and start control are executed in steps S13 and S14. Cranking control executes cranking by a starter motor, and start control executes fuel injection control and ignition control to start an internal combustion engine.
ここで、上述したように制御位相(最遅角)α1においては、機械圧縮比(εC1)と機械膨張比(εE1)の関係は、「εC1<εE1」となっているので、デコンプレッション効果によって始動振動が小さく、円滑なクランキング、及び良好な燃焼圧の立ち上げを行なうことができる。 Here, as described above, in the control phase (latest angle) α1, the relationship between the mechanical compression ratio (εC1) and the mechanical expansion ratio (εE1) is “εC1 <εE1”, so that due to the decompression effect. The starting vibration is small, smooth cranking, and good start-up of combustion pressure can be performed.
≪ステップS15≫
ステップS11で始動条件が成立せず内燃機関が動作している状態であるので、ステップS15では目標負荷(トルク)の演算を実行する。目標負荷(トルク)は、運転者によって操作されるアクセルペダルの踏み込み量、スロットルバルブ開度、吸入空気流量、車速等から、目標負荷(トルク)を演算する。目標負荷(トルク)が求まるとステップS16に移行する。
≪Step S15≫
Since the starting condition is not satisfied in step S11 and the internal combustion engine is operating, the target load (torque) is calculated in step S15. The target load (torque) is calculated from the amount of depression of the accelerator pedal operated by the driver, the throttle valve opening, the intake air flow rate, the vehicle speed, and the like. When the target load (torque) is obtained, the process proceeds to step S16.
≪ステップS16≫
ステップS16においては、目標負荷(トルク)に基づいて、図7に示すような負荷制御マッップから目標制御位相αtを求める。目標制御位相αtは、目標負荷(トルク)と対応付けされており、目標負荷(トルク)が求まると目標制御位相αtがマップ検索される。
≪Step S16≫
In step S16, the target control phase αt is obtained from the load control map as shown in FIG. 7 based on the target load (torque). The target control phase αt is associated with the target load (torque), and when the target load (torque) is obtained, the target control phase αt is searched on the map.
上述したように、「無負荷(T0)」〜「低負荷(T1)」では制御位相(最遅角)α1に設定され、「低負荷(T1)」〜「部分負荷(T2)」では、制御位相(最遅角)α1〜制御位相(中間角)α2の間に設定される。また、「部分負荷(T2)」では制御位相(中間角)α2に設定される。 As described above, in "no load (T0)" to "low load (T1)", the control phase (latest angle) α1 is set, and in "low load (T1)" to "partial load (T2)", It is set between the control phase (latest angle) α1 and the control phase (intermediate angle) α2. Further, in the "partial load (T2)", the control phase (intermediate angle) α2 is set.
次に、「部分負荷(T2)」〜「全負荷(T3)」では、制御位相(中間角)α2、或いは制御位相(中間角)α2〜制御位相(最進角)α3の間に設定される。尚、「部分負荷(T2)」〜「全負荷(T3)」の間で一定の制御位相αt(=α2)とすることもできる(第1実施形態と対応)。 Next, in "partial load (T2)" to "full load (T3)", the control phase (intermediate angle) α2 or the control phase (intermediate angle) α2 to the control phase (advance angle) α3 is set. To. It should be noted that the control phase αt (= α2) can be set to be constant between the “partial load (T2)” and the “full load (T3)” (corresponding to the first embodiment).
そして、それぞれの目標制御位相αtに対応して、機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)が決められることになる。目標制御位相αtが求まるとステップS17に移行する。 Then, the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) are determined corresponding to the respective target control phases αt. When the target control phase αt is obtained, the process proceeds to step S17.
≪ステップS17≫
ステップS17においては、内燃機関が動作している時の動作パラメータを読み込む。動作パラメータとしては、内燃機関自体の機関温度、内燃機関に吸入される吸入空気の外気温度、外気湿度、筒内圧(燃焼圧)等である。機関温度は水温センサで求められ、吸入空気の温度、湿度は温度センサ、湿度センサで求められ、筒内圧は燃焼圧センサや予め定められたマップ化した筒内圧マップから求めることができる。動作状態の読み込みが完了するとステップS18に移行する。
≪Step S17≫
In step S17, the operating parameters when the internal combustion engine is operating are read. The operating parameters include the engine temperature of the internal combustion engine itself, the outside air temperature of the intake air sucked into the internal combustion engine, the outside air humidity, the in-cylinder pressure (combustion pressure), and the like. The engine temperature is obtained by the water temperature sensor, the temperature and humidity of the intake air are obtained by the temperature sensor and the humidity sensor, and the in-cylinder pressure can be obtained from the combustion pressure sensor or a predetermined mapped in-cylinder pressure map. When the reading of the operating state is completed, the process proceeds to step S18.
≪ステップS18≫
ステップS18においては、目標制御位相αtの補正が必要かどうかを判定しており、補正が必要なければステップS19に移行し、補正が必要であればステップS20に移行する。
≪Step S18≫
In step S18, it is determined whether or not the correction of the target control phase αt is necessary. If the correction is not necessary, the process proceeds to step S19, and if the correction is necessary, the process proceeds to step S20.
この補正の要否判断は種々の方法で行うことができるが、現在の目標制御位相αtで決まる機械圧縮比(εC)、及び機械膨張比(εE)の時の推定筒内圧と実際の筒内圧を比較して補正の要否判断を行っても良いし、機関温度や外気温度によって補正の要否判断を行っても良い。機関温度、外気温度、湿度等によって筒内圧(燃焼圧)が変動するので、機関温度、外気温度、湿度等が所定の閾値を越えると、補正が必要な状態と判断することができる。 The necessity of this correction can be determined by various methods, but the estimated in-cylinder pressure and the actual in-cylinder pressure at the time of the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) determined by the current target control phase αt. The necessity of correction may be determined by comparing the above, or the necessity of correction may be determined based on the engine temperature and the outside air temperature. Since the in-cylinder pressure (combustion pressure) fluctuates depending on the engine temperature, outside air temperature, humidity, etc., it can be determined that correction is necessary when the engine temperature, outside air temperature, humidity, etc. exceed a predetermined threshold value.
≪ステップS19≫
ステップS18においては、目標制御位相αtの補正が必要ないと判断されているので、ステップS19においてはステップS16で求めた目標制御位相αtになるように可変圧縮比機構1を駆動する。その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
≪Step S19≫
In step S18, it is determined that the correction of the target control phase αt is not necessary. Therefore, in step S19, the variable
≪ステップS20≫
ステップS18においては、目標制御位相αtの補正が必要と判断されているので、ステップS20においてはステップS16で求めた目標制御位相αtを補正する。
≪Step S20≫
Since it is determined that the target control phase αt needs to be corrected in step S18, the target control phase αt obtained in step S16 is corrected in step S20.
上述したように、機関温度、外気温度、湿度等で最大燃焼圧が変化し、膨張下死点での筒内圧(燃焼圧)が変化する。この膨張下死点の筒内圧が大気圧未満であれば、膨張行程の後期のポンプ損失が発生してしまう。このために、機械膨張比(εE)を小さくする方向、すなわち目標制御位相αtを遅角する方向に補正する。 As described above, the maximum combustion pressure changes depending on the engine temperature, the outside air temperature, the humidity, etc., and the in-cylinder pressure (combustion pressure) at the expansion bottom dead center changes. If the in-cylinder pressure at the bottom dead center of expansion is less than the atmospheric pressure, a pump loss in the latter stage of the expansion stroke will occur. For this purpose, the mechanical expansion ratio (εE) is corrected in the direction of decreasing, that is, the target control phase αt is corrected in the direction of retarding.
つまり、機関温度、外気温度は高すぎても低すぎても、膨張下死点の燃焼圧は低下する傾向にあり、また、湿度は高いほど膨張下死点の燃焼圧は低下する傾向にあり、これにしたがって、目標制御位相αtを遅角する方向に補正すれば良い。 That is, if the engine temperature and the outside air temperature are too high or too low, the combustion pressure at the expansion bottom dead center tends to decrease, and the higher the humidity, the lower the combustion pressure at the expansion bottom dead center. According to this, the target control phase αt may be corrected in the direction of retarding.
或いは、燃焼室に筒内圧(燃焼圧)センサを設けて、膨張下死点の筒内圧そのものを読み込んでも良い。この場合は、膨張下死点の筒内圧の検出精度が向上するので、制御目標位相αt補正精度が向上する。膨張下死点の筒内圧が大気圧未満であれば機械膨張比(εE)を小さく方向、すなわち制御目標位相αtを遅角する方向に補正し、膨張行程の後期のポンプ損失を抑制して燃費性能を向上することができる。 Alternatively, an in-cylinder pressure (combustion pressure) sensor may be provided in the combustion chamber to read the in-cylinder pressure itself at the expansion bottom dead center. In this case, the accuracy of detecting the in-cylinder pressure at the expansion bottom dead center is improved, so that the accuracy of the control target phase αt correction is improved. If the in-cylinder pressure at the bottom dead center of expansion is less than atmospheric pressure, the mechanical expansion ratio (εE) is corrected to a smaller direction, that is, the control target phase αt is retarded to suppress pump loss in the latter stage of the expansion stroke and achieve fuel efficiency. Performance can be improved.
逆に、膨張下死点の筒内圧が大気圧を越えていれば目標制御位相αtを進角する方向、すなわち機械膨張比(εE)を大きくする方向に補正し、膨張ストロークを更に拡大して、膨張正仕事量を増やして燃費性能を向上することができる。ステップS20で目標制御位相αtが補正されるとステップS21に移行する。 On the contrary, if the in-cylinder pressure at the expansion bottom dead center exceeds the atmospheric pressure, the target control phase αt is corrected in the direction of advancing, that is, the mechanical expansion ratio (εE) is increased, and the expansion stroke is further expanded. , Expansion positive work can be increased to improve fuel efficiency. When the target control phase αt is corrected in step S20, the process proceeds to step S21.
尚、制御フローには示していないが、この機械膨張比(εE)補正に加えて、排気バルブの開時期によっても膨張下死点の燃焼圧を補正することもできる。すなわち、排気バルブの開時期を膨張下死点より進角方向に変化させると、その開弁時点で筒内圧は排気ポート側の大気圧とほぼ一致させることができる。このため、膨張下死点の筒内圧が大気圧未満になるのを防止でき、膨張行程の後期のポンプ損失を更に高精度に抑制して燃費性能を向上することができる。 Although not shown in the control flow, in addition to this mechanical expansion ratio (εE) correction, the combustion pressure at the expansion bottom dead center can also be corrected by the opening timing of the exhaust valve. That is, if the opening time of the exhaust valve is changed in the advance angle direction from the expansion bottom dead center, the in-cylinder pressure at the time of opening the valve can be substantially matched with the atmospheric pressure on the exhaust port side. Therefore, it is possible to prevent the in-cylinder pressure at the bottom dead center of expansion from becoming less than the atmospheric pressure, and it is possible to further suppress the pump loss in the latter stage of the expansion stroke with higher accuracy and improve the fuel efficiency.
≪ステップS21≫
ステップS20で目標制御位相αtの補正が完了されたので、ステップS21においては、ステップS20で補正された目標制御位相αtになるように可変圧縮比機構1のピストン位置変換機構6を駆動する。その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
≪Step S21≫
Since the correction of the target control phase αt is completed in step S20, in step S21, the piston position conversion mechanism 6 of the variable
以上述べたように、本発明においては、機械膨張比(εE)よりも機械圧縮比(εC)を小さく設定可能な内燃機関の可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の負荷が所定部分負荷より高いときの機械膨張比(εE)に対して、内燃機関の負荷が所定部分負荷よりも低いときの機械膨張比(εE)を小さく制御する構成とした。 As described above, in the present invention, in the variable compression ratio system of the internal combustion engine in which the mechanical compression ratio (εC) can be set smaller than the mechanical expansion ratio (εE), when the load of the internal combustion engine is higher than the predetermined partial load. The mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is lower than the predetermined partial load is controlled to be smaller than the mechanical expansion ratio (εE) of.
これによれば、所定部分負荷より負荷が高い負荷領域では、高機械膨張比(εE)によって膨張正仕事を増加して熱効率の向上を図り、また所定部分負荷より負荷が低い負荷領域では、機械膨張比(εE)を小さくすることで、高機械膨張比を維持したままだと発生する膨張行程の後期のポンプ損失(負仕事)を低減して、熱効率の向上を図ることで、所定部分負荷より高い負荷領域、及び低い負荷領域の両負荷領域において燃費性能を向上することができる。 According to this, in the load region where the load is higher than the predetermined partial load, the expansion positive work is increased by the high mechanical expansion ratio (εE) to improve the thermal efficiency, and in the load region where the load is lower than the predetermined partial load, the machine By reducing the expansion ratio (εE), the pump loss (negative work) in the latter stage of the expansion stroke that occurs when the high mechanical expansion ratio is maintained is reduced, and by improving the thermal efficiency, a predetermined partial load is applied. The fuel efficiency can be improved in both the higher load region and the lower load region.
上述の実施形態では、ピストン位置変更機構としてベーンを用いた油圧式のピストン位置変更機構を示したが、油圧式に限らず例えば、「特開2016−125343号公報」に示すような電動式のピストン位置変更機構を用いることもできる。また、ピストン位置を変更するリンク機構としては実施形態に示した機構以外に、例えば「特開2016−205173号公報」の図11に示すような機構を用いることもできる。 In the above-described embodiment, the hydraulic piston position changing mechanism using a vane as the piston position changing mechanism is shown, but the piston position changing mechanism is not limited to the hydraulic type, and for example, an electric type as shown in "Japanese Patent Laid-Open No. 2016-125343". A piston position changing mechanism can also be used. Further, as the link mechanism for changing the piston position, in addition to the mechanism shown in the embodiment, for example, a mechanism as shown in FIG. 11 of "Japanese Patent Laid-Open No. 2016-205173" can be used.
要は、リンク機構や位相変更機構が上述した実施形態と同様の機能を満足するものであれば、具体的な形態の相違は問題とならない。また、適用される内燃機関は、火花点火式でも良いし、圧縮自着火式でも構わないものである。 In short, as long as the link mechanism and the phase changing mechanism satisfy the same functions as those in the above-described embodiment, the difference in the specific form does not matter. Further, the applicable internal combustion engine may be a spark ignition type or a compression self-ignition type.
尚、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
01…内燃機関、02…シリンダブロック、03…ボア、1…可変圧縮比機構、2…ピストン、3…ピストンピン、4…クランクシャフト、5…リンク機構、6…ピストン位置変更機構、7…アッパリンク(第1リンク)、8…第1連結ピン、9…クランクピン、10…ロアリンク(第2リンク)、11…第2連結ピン、12…コントロールシャフト、13…偏心カム部、14…コントロールリンク(第3リンク)、15…第1ギヤ歯車(駆動回転体)、16…第2ギヤ歯車(従動回転体)。 01 ... Internal combustion engine, 02 ... Cylinder block, 03 ... Bore, 1 ... Variable compression ratio mechanism, 2 ... Piston, 3 ... Piston pin, 4 ... Crankshaft, 5 ... Link mechanism, 6 ... Piston position change mechanism, 7 ... Upper Link (1st link), 8 ... 1st connecting pin, 9 ... Crank pin, 10 ... Lower link (2nd link), 11 ... 2nd connecting pin, 12 ... Control shaft, 13 ... Eccentric cam part, 14 ... Control Link (third link), 15 ... 1st gear gear (driving rotating body), 16 ... 2nd gear gear (driven rotating body).
Claims (9)
前記内燃機関の負荷が所定部分負荷のときの機械膨張比(εE)に対して、前記内燃機関の負荷が前記所定部分負荷よりも低いときの前記機械膨張比(εE)が小さく設定されることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In a variable compression ratio system of an internal combustion engine in which the mechanical compression ratio (εC) can be set smaller than the mechanical expansion ratio (εE).
The mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is lower than the predetermined partial load is set smaller than the mechanical expansion ratio (εE) when the load of the internal combustion engine is a predetermined partial load. A variable compression ratio system for internal combustion engines.
前記内燃機関の負荷が前記所定部分負荷より低いときに、前記内燃機関の負荷が前記所定部分負荷より高いときの機械圧縮比(εC)に対して、前記機械圧縮比(εC)が大きく設定されることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
When the load of the internal combustion engine is lower than the predetermined partial load, the mechanical compression ratio (εC) is set larger than the mechanical compression ratio (εC) when the load of the internal combustion engine is higher than the predetermined partial load. A variable compression ratio system for internal combustion engines.
前記所定部分負荷とは、ピストンの膨張下死点における筒内圧が大気圧付近となる領域であることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
The predetermined partial load is a variable compression ratio system of an internal combustion engine, characterized in that the in-cylinder pressure at the bottom dead center of expansion of the piston is in the vicinity of atmospheric pressure.
前記所定部分負荷とは、全負荷の状態の負荷の半分程度、或いはそれより低い負荷領域であることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
The predetermined partial load is a variable compression ratio system of an internal combustion engine, characterized in that the load region is about half of the load in the state of full load or lower.
前記所定部分負荷より負荷が大きい高負荷領域に移行すると、前記機械圧縮比(εC)を小さくすると共に、前記機械膨張比(εE)を大きくすることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
A variable compression ratio system for an internal combustion engine, characterized in that the mechanical compression ratio (εC) is reduced and the mechanical expansion ratio (εE) is increased when shifting to a high load region where the load is larger than the predetermined partial load.
前記内燃機関の停止時、クランキング時、及び始動時には、前記機械圧縮比(εC)と前記機械膨張比(εE)の関係を、「(εC)<(εE)」に設定することを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
The characteristic is that the relationship between the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) is set to "(εC) <(εE)" when the internal combustion engine is stopped, cranked, and started. Variable compression ratio system for internal combustion engines.
前記機械圧縮比(εC)の可変範囲における最高機械圧縮比(εC)maxと、前記機械膨張比(εE)の可変範囲における最低機械膨張比(εE)minの関係が、「(εC)max<(εE)min」に設定されることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
The relationship between the maximum mechanical compression ratio (εC) max in the variable range of the mechanical compression ratio (εC) and the minimum mechanical expansion ratio (εE) min in the variable range of the mechanical expansion ratio (εE) is “(εC) max < A variable compression ratio system for an internal combustion engine, characterized in that it is set to "(εE) min".
前記機械圧縮比(εC)と前記機械膨張比(εE)は、デフォルト位置において「(εC)<(εE)」の関係に設定されることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
A variable compression ratio system for an internal combustion engine, characterized in that the mechanical compression ratio (εC) and the mechanical expansion ratio (εE) are set in a relationship of “(εC) <(εE)” at a default position.
前記内燃機関の動作パラメータに基づき、前記機械膨張比(εE)が補正されることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 In the variable compression ratio system of the internal combustion engine according to claim 1.
A variable compression ratio system for an internal combustion engine, characterized in that the mechanical expansion ratio (εE) is corrected based on the operating parameters of the internal combustion engine.
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