JP2007211730A - Reciprocating internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレシプロ式内燃機関の改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a reciprocating internal combustion engine.
特許文献1では、4サイクルのレシプロ式内燃機関における容積効率を高めるために、吸気行程から圧縮行程に移行する際、ピストン下死点において休止期間を設けている。特許文献2では、内燃機関(エンジン)が低回転で運転している場合の吸気慣性効果を高めるために、リンク機構を用いてピストンの上昇時間(圧縮・排気行程)に比べて下降時間(吸気・膨張行程)を短くしている。
しかしながら、上記特許文献1のように、吸気下死点でピストンを停止する休止期間を単に設けただけでは、例えばエンジンが低回転で運転中の場合にはピストンモーションが遅いために空気の流速が遅く、容積効率を十分に向上させることができない。また、エンジン要求トルクや機関回転数のような機関運転条件にかかわらず吸気行程や膨張行程のピストンモーションが一定であると、運転条件によっては最適な吸気慣性効果を実現することができない。例えば、特許文献2のように低回転側で効果を得るような設定とした場合、高回転側でピストンスピードが早過ぎて、吸気弁での吸気抵抗が大きくなってしまい、逆にトルクが低下することが懸念される。
However, just providing a pause period in which the piston is stopped at the intake bottom dead center as in the above-mentioned
上述した課題を解決するために、本発明のレシプロ式内燃機関では、吸気行程においてピストンが上死点から下死点に到達するまでのクランクシャフトの回転角度である吸気行程角度を変更する吸気行程角度変更手段を有し、吸気慣性効果を得るように、機関運転条件に応じて吸気行程角度を変化させるようにしている。 In order to solve the above-described problem, in the reciprocating internal combustion engine of the present invention, the intake stroke for changing the intake stroke angle, which is the rotation angle of the crankshaft until the piston reaches the bottom dead center from the top dead center in the intake stroke. An angle changing means is provided, and the intake stroke angle is changed according to the engine operating conditions so as to obtain the intake inertia effect.
本発明によれば、機関運転条件に応じて適切な吸気行程角度に設定し、機関運転条件に応じた形で有効に吸気慣性効果を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to set an appropriate intake stroke angle in accordance with the engine operating conditions and effectively obtain the intake inertia effect in a form in accordance with the engine operating conditions.
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施例に係るレシプロ式内燃機関を示す構成図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a reciprocating internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
このレシプロ式内燃機関のシリンダブロック1には、吸気・圧縮・膨張・排気の4行程のうちで、吸気・圧縮行程が行われる吸気圧縮シリンダ11と、膨張・排気行程が行われる膨張排気シリンダ12と、が隣接して設けられている。吸気圧縮シリンダ11には吸気圧縮ピストン13が摺動可能に嵌合しており、この吸気圧縮ピストン13の上方に圧縮室14が形成されている。膨張排気シリンダ12には膨張排気ピストン15が摺動可能に嵌合しており、この膨張排気ピストン15の上方に燃焼室16が形成されている。
The
シリンダブロック1の上側に固定されるシリンダヘッド2には、圧縮室14へ吸気を供給する吸気通路17と、燃焼室16から排気を排出する排気通路18と、圧縮室14と燃焼室16とを連通・接続する連通路19と、が形成され、かつ、吸気通路17を開閉する吸気弁21と、排気通路18を開閉する排気弁22と、連通路19を開閉する圧縮弁23と、が配設されている。なお、図1の例では圧縮弁23が圧縮室14側と燃焼室16側の2箇所に設けられているが、一箇所のみに設けても良い。
The
膨張排気ピストン15はコネクティングロッド4により機関出力軸であるクランクシャフト3に連係されている。コネクティングロッド4の下端はクランクシャフト3のクランクピン3Aに回転可能に取付けられている。コネクティングロッド4の上端は膨張排気ピストン15のピストンピン15Aに回転可能に取付けられている。従って、燃焼室16で生じる燃焼圧による膨張排気ピストン15の往復運動がコネクティングロッド4を介してクランクシャフト3の回転運動に変換されて、クランクシャフト3が回転駆動される。吸気圧縮ピストン13は、この実施例ではリニアモータ25の出力軸25Aに連結され、このリニアモータ25により直接的に往復駆動される。このリニアモータ25は、吸気圧縮ピストン13のピストン行程を変化させることによって、後述するように、吸気行程において吸気圧縮ピストン13が上死点から下死点に到達するまでのクランク角度である吸気行程角度を機関運転状態に応じて変化させることができる(吸気行程角度変更手段)。
The expansion /
シリンダブロック1には、機関回転数に対応するクランクシャフト3の回転位置を検出するクランク角センサ26と、吸気圧縮ピストン13のピストン位置(下死点BDCからの距離)を検出する吸気ピストン位置センサ27と、が設けられている。吸気通路17には、上流側より順に、吸気流量を計測するエアフロメータ28、吸気通路17の開度を調整する電制スロットル(絞り弁)29と、吸気通路(吸気ポート)17へ燃料を噴射する燃料噴射弁30と、が配設されている。ガソリンエンジンの場合、図1に示すように、燃焼室16に混合気を火花点火する点火プラグ31が配設される。ディーゼルエンジンの場合には、点火プラグが省略され、燃料噴射弁が燃焼室16内(図1の点火プラグ31の位置)に配設されることとなる。
The
機関運転条件を検出するセンサ類として、上記のセンサ類26〜28の他、ドライバのアクセル操作量に相当するアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ32等が設けられている。制御部(ECM)5は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有し、上記センサ類26〜28,32等の検出信号に基づいて、上記の電制スロットル29、燃料噴射弁30、点火プラグ31、及びリニアモータ25等のアクチュエータへ制御信号を出力し、その動作を制御する。
As sensors for detecting engine operating conditions, in addition to the
なお、本実施例では上記の弁21〜23は電磁弁であり、制御部5からの信号に基づいて機関運転状態に応じて駆動制御される。但し、これらの弁21〜23は、吸気弁21の閉時期を変更可能な構成であれば、必ずしも電磁弁である必要はなく、クランクシャフト3の回転に対する同期がとれるものであればよく、一般的によく知られているクランクシャフト3の回転動力により作動する(可変)動弁形態であっても良い。
In the present embodiment, the above-described
吸気行程と圧縮行程とは吸気圧縮シリンダ11においてクランクシャフト3の1回転で行われる。圧縮終了付近で圧縮弁23が開かれ、圧縮された混合気が連通路19を経由して圧縮室14から燃焼室16へ投入される。膨張行程と排気行程とは膨張排気シリンダ12においてクランクシャフト3の1回転で行われる。圧縮行程の終わり時期と排気行程の終わり時期とがほぼ同期して実行されるため、吸気、圧縮、膨張、排気の4行程を、クランクシャフト3の1回転で行うことができる。
The intake stroke and the compression stroke are performed by one rotation of the
より詳しくは、吸気弁21は、吸気圧縮ピストン13が下降する動作に合わせて開かれ、吸気圧縮ピストン13の下死点近傍で閉じられる。好ましくは、ドライバの要求負荷、機関回転数等に応じて、吸気弁21の開閉タイミングを可変制御する。吸気圧縮ピストン13が上死点に接近すると圧縮弁23が開かれて、圧縮室14で圧縮された混合気が連通路19を経由して燃焼室16へ送り込まれる。吸気圧縮ピストン13が上死点に到達すると圧縮弁23が閉じられて、圧縮された混合気が燃焼室16から圧縮室14へ逆流することを防止する。圧縮された混合気は点火プラグ31によって点火されて燃焼し、膨張排気ピストン15を下降させる。膨張排気ピストン15が下死点に到達すると排気弁22が開かれて排気が行われる。
More specifically, the
このように、吸気圧縮ピストン13が上死点に接近する圧縮行程と、膨張排気ピストン15が上死点に接近する排気行程とが比較的近いタイミングで同期して行われる。また、吸気圧縮ピストン13が下死点に接近する吸気行程と、膨張排気ピストン15が下死点に接近する膨張行程と、が比較的近いタイミングで同期して行われる。但し、本実施例では後述するように機関運転状態に応じて吸気圧縮ピストン13のピストンモーションを変更させるので、常にそのタイミングが全く同じというわけではない。
In this way, the compression stroke in which the
このように、上記レシプロ式内燃機関では、吸気・圧縮行程が行われる吸気圧縮シリンダ11と膨張・排気行程が行われる膨張排気シリンダ12とを分離し、上記の4行程をクランクシャフト3の1回転で行うことができるので、クランクシャフト3の2回転毎に4つの行程が行われる一般的な4サイクル型のレシプロ式内燃機関に比して大きな出力を得ることができる。また、圧縮比と膨張比とを個別に設定できるので、圧縮比を低くしつつ膨張比を大きくして、ノッキングを生じることなく熱効率を高めることができる。更に、吸気圧縮シリンダ11と膨張排気シリンダ12とを別個に構成したので、燃焼が行われる膨張排気シリンダ12とは別に吸気圧縮シリンダ11を冷却することができ、吸気の冷却が容易である。そして本実施例では、リニアモータ25により吸気圧縮ピストン13の動作(ピストンモーション)をクランクシャフト3の角度に対して任意に制御することができる。
As described above, in the reciprocating internal combustion engine, the intake /
図2及び図3は、本実施例の制御内容を簡略的に示すブロック図及びフローチャートであり、本ルーチンは、上記の制御部5により極短い所定期間Δt(例えば10ms毎、あるいは所定クランク角毎)に繰り返し実行される。
FIGS. 2 and 3 are a block diagram and a flowchart showing the control contents of the present embodiment in a simplified manner. This routine is executed by the
ステップS1では、アクセル開度センサ32により検出されるアクセル開度を読み込む。ステップS2では、クランク角センサ26(及びカム角センサ)等により得られる機関(エンジン)回転数を読み込む。ステップS3及びブロックB1では、アクセル開度及び機関回転数に基づいて、エンジントルクつまり要求負荷を演算する。図4は要求負荷の設定マップの一例を示している。同図に示すように、要求負荷は低・中・高の機関回転域に応じてそれぞれ設定され、アクセル開度が高いほど高く設定される。
In step S1, the accelerator opening detected by the
ステップS4及びブロックB1では、機関回転数と要求負荷に基づいて、吸気行程角度の目標値である目標吸気行程角度を算出する。吸気行程角度は、吸気行程において吸気圧縮ピストン13が上死点から下死点に到達するまでのクランク角度である。目標吸気行程角度は、クランク角度で0度から180度の範囲内で設定される。図5(A)は一定の機関回転数での(目標)吸気行程角度と最大吸入空気量の関係を示しており、図5(B)は全回転領域・全要求負荷域での目標吸気行程角度の設定マップの一例を示している。図5(B)に示すように、要求負荷が大きく、機関回転数が低いほど、目標吸気行程角度を小さくして、吸気行程角度でのピストンスピードを早くし、空気の慣性効果を活用することで、シリンダ容積分の空気量を越える多くの吸入空気量を、機関回転数及び機関負荷に応じて有効に確保することが可能となる。
In step S4 and block B1, a target intake stroke angle, which is a target value of the intake stroke angle, is calculated based on the engine speed and the required load. The intake stroke angle is a crank angle until the
再び図2及び図3を参照して、ステップS5及びブロックB2では、クランク角センサ26により検出されるクランク角と目標吸気行程角度とに基づいて、吸気圧縮ピストン13のピストン位置(下死点BDCからの距離)の目標値である目標ピストン位置を算出する(図9参照)。
2 and 3 again, in step S5 and block B2, the piston position (bottom dead center BDC) of the
吸気圧縮ピストン13の加速度が極端に大きくなると、リニアモータ25の要求モータトルクが過大となることから、吸気圧縮ピストン13の加速度が極端に大きくならないように、目標吸気ピストン位置tIP1は、例えばsin関数を利用した下式(1)によりクランク角θに基づいて求められる。なお、min(a,b)はa,bのうち小さい方を選択する関数である。
目標吸気ピストン位置tIP1
=ストローク/2×(1−sin(min(θ/吸気行程角度×180,180)−90°)):(0≦θ<180)
=ストローク/2×(1−sin(θ−90°)):(180≦θ<360)…(1)
また、吸入可能な空気量や吸気圧縮シリンダ11内の負圧は吸気弁21の周辺の開口面積に大きく依存するので(図6参照)、好ましくは、吸気弁21の周辺の開口面積を考慮して目標ピストン位置tIP2を決定する。つまり、シリンダ11内の負圧が極端に発生しないように吸気弁21の開口面積を加味して予め求められた許容ピストンスピードを考慮して下式(2)により目標吸気ピストン位置tIP2を設定する。なお、min(a,b)はa,bのうち小さい方を選択する関数で、Δtは本ルーチンの演算間隔である。
目標吸気ピストン位置tIP2
=min(tIP1,tIP1の前回値+許容ピストンスピード×Δt)…(2)
ステップS6及びブロックB3では、目標吸気行程角度と機関回転数とに基づいて、吸気弁21の閉時期の目標値である目標吸気弁閉時期(IVC)を算出する(図7参照)。図7(B)はIVCの設定マップの一例を示している。同図に示すように、IVCは、基本的には(目標)吸気行程角度に応じた形で設定される。また、機関回転数が高いほど吸気弁開弁期間を長く確保するようにIVCが遅角側へ設定される。より具体的には、図9の符号(A)に示すように、吸気行程角度が大きくなり、ピストン13が下死点に達する時期が遅角するほど、つまりピストン13が下死点で停止している休止期間が短くなるほど、IVCを遅角して吸気弁の開弁期間を長く確保している。また、図9の符号(B)に示すように、吸気行程角度が小さくなり、ピストンが下死点に達する時期が下死点前に進角するほど、つまりピストンが下死点で停止している休止期間が長くなるほど、IVCを進角して、吸気弁の開弁期間を短くしている。
When the acceleration of the
Target intake piston position tIP1
= Stroke / 2 × (1-sin (min (θ / intake stroke angle × 180, 180) −90 °)): (0 ≦ θ <180)
= Stroke / 2 × (1-sin (θ−90 °)): (180 ≦ θ <360) (1)
Further, since the amount of air that can be sucked and the negative pressure in the
Target intake piston position tIP2
= Min (previous value of tIP1, tIP1 + allowable piston speed × Δt) (2)
In step S6 and block B3, a target intake valve closing timing (IVC) that is a target value of the closing timing of the
一本のコネクティングロッドによりピストンとクランクピンとを接続した一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンモーションでは、吸気行程角度が常に一定の固定値(180deg)である。これに対して本実施例では、図5(B)に示すように、機関運転条件(機関回転数及び要求負荷)に応じて目標吸気行程角度を適切に設定することによって、機関運転条件に応じた形で、慣性効果により吸入空気量を効果的に向上しつつ、フリクション、ポンプロスの増加を抑制し、機関トルク・出力の向上を図ることができる。ただし、図5(A)にも示すように、吸気行程角度をあまり小さく設定すると慣性効果で燃焼室16側へ吸入された空気が圧縮室14側へ吹き戻り、所望の慣性効果が得られず、シリンダ容積分の空気量を越える吸入空気量を確保することはできないので、このような場合には吸気行程角度の変更を禁止する。
In a piston motion of a general single link type piston-crank mechanism in which a piston and a crank pin are connected by a single connecting rod, the intake stroke angle is always a fixed value (180 deg). On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 5B, the target intake stroke angle is appropriately set according to the engine operating conditions (engine speed and required load), so as to meet the engine operating conditions. As a result, it is possible to improve the engine torque and output while suppressing the increase of friction and pump loss while effectively increasing the intake air amount by the inertia effect. However, as shown in FIG. 5A, if the intake stroke angle is set too small, the air sucked into the
図6(A)は、吸気弁周辺の開口面積とクランク角の関係の一例を示している。吸気弁周辺の開口面積は以下の式(3)によって概算できる。 FIG. 6A shows an example of the relationship between the opening area around the intake valve and the crank angle. The opening area around the intake valve can be estimated by the following equation (3).
吸気弁周辺の開口面積=2×π×吸気弁半径×リフト量×バルブ数…(3)
上述したようにピストンモーションを速くする(吸気行程角度を小さくする)ことで、吸気慣性効果を増大することができるものの、開口面積が小さい時にピストンモーションが速いと、シリンダ11内に大きな負圧が発生して、損失が増えてしまうおそれがある。そこで好ましくは、少なくとも吸気弁周辺の開口面積を用いて単位時間当たりのピストン13の変化許容値、つまり許容ピストンスピードを設定して、ピストンスピードが過度に高くなることを制限・禁止する。その一例を図6(B)に示す。同図に示すように、吸気弁周辺の開口面積が小さくなるほど、許容ピストンスピードを低く抑制する。これによって、吸気行程時のシリンダ内に大きな負圧が発生することを有効に防ぐことができる。
Opening area around the intake valve = 2 × π × intake valve radius × lift amount × number of valves (3)
As described above, by increasing the piston motion (decreasing the intake stroke angle), the intake inertia effect can be increased. However, if the piston motion is fast when the opening area is small, a large negative pressure is generated in the
図7(B)は、上述したように吸気弁21の閉時期(IVC)の一設定例を示している。吸気行程角度に応じて慣性効果がより大きく発生するIVCは変化するが、それに伴って最大吸気量を確保するIVCも変化する。これは、主としてふき戻しにより吸気通路(吸気ポート)17に空気が戻ってしまうことに起因している。また、機関回転数が高くなるほど、単位クランク角度あたりの時間が短くなるため、十分な吸気時間を確保するためには、低回転時に比べてIVCを遅角する必要がある。本実施例では図7(B)に示すように吸気行程角度を180度から小さくするに従ってIVCを進めて、吹き戻りを防止する。
FIG. 7B shows a setting example of the closing timing (IVC) of the
また、吸気行程角度が所定の下限値α1〜α3小さくピストンモーションが過度に速くなるおそれおがある領域では、IVCを最進角値β1〜β3に固定して、吸気行程角度に応じたIVCの変更(進角)を禁止する。これは慣性効果により吸入空気の流速が上がるものの、流れの遅れが生じるために、十分な吸入ができなくなることを防ぐためである。なお、図示するように、吸気行程角度の下限値α1〜α3及び最進角値β1〜β3は機関回転数に応じて個別に設定される。 In an area where the intake stroke angle is a predetermined lower limit value α1 to α3 and the piston motion is likely to be excessively fast, IVC is fixed to the most advanced angle values β1 to β3, and IVC corresponding to the intake stroke angle is set. Change (advance) is prohibited. This is to prevent the intake air from becoming unable to be sufficiently sucked due to a flow delay although the flow velocity of the intake air increases due to the inertia effect. As shown in the figure, the lower limit values α1 to α3 and the most advanced angle values β1 to β3 of the intake stroke angle are individually set according to the engine speed.
図8は、本実施例におけるアクセル開度の変化に対するスロットル開度,吸気行程角度及び吸気弁閉時期の関係を示している。但し、機関回転数は一定とする。同図に示すように、アクセル開度が所定値のしきい値sAPOより小さく要求負荷(トルク)が小さい低負荷側の領域では、吸入空気量が少ないことから、ピストンモーションを速くすると逆に損失が増えてしまうおそれがあるために、アクセル開度に応じてスロットル開度のみを変更し、具体的にはアクセル開度の低下に応じてスロットル開度を小さくし、(目標)吸気行程角度とIVCの変更を禁止する。具体的には、吸気行程角度を最大値(180deg)に固定し、IVCを下死点付近の最遅角値に固定する。 FIG. 8 shows the relationship between the throttle opening, the intake stroke angle, and the intake valve closing timing with respect to changes in the accelerator opening in the present embodiment. However, the engine speed is constant. As shown in the figure, in the low load area where the accelerator opening is smaller than the predetermined threshold value sAPO and the required load (torque) is small, the intake air amount is small. Therefore, only the throttle opening is changed according to the accelerator opening, specifically, the throttle opening is reduced according to the decrease in the accelerator opening, and the (target) intake stroke angle and Prohibit changes to IVC. Specifically, the intake stroke angle is fixed to the maximum value (180 deg), and IVC is fixed to the most retarded value near the bottom dead center.
一方、アクセル開度がしきい値sAPO以上の高負荷側の領域では、アクセル開度の増加に伴い、ピストンモーションを速くするために吸気行程角度を小さくするとともに、この吸気行程角度の低下に応じて、吸気弁閉時期を進角する。これにより、シリンダからの吹き戻しを招くことなく、吸気慣性効果を増大させて、より多くの吸入空気量を確保することができる。 On the other hand, in the region on the high load side where the accelerator opening is greater than or equal to the threshold value sAPO, as the accelerator opening increases, the intake stroke angle is reduced in order to speed up the piston motion, and the intake stroke angle is reduced accordingly. To advance the intake valve closing timing. As a result, the intake inertia effect can be increased and a larger amount of intake air can be secured without causing blowback from the cylinder.
以上の説明より把握し得る本発明の特徴的な技術思想について、上記実施例を参照して列記する。但し、本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、図1に示すレシプロ式内燃機関に限らず、機関回転数や要求負荷に応じて吸気ピストンスピードを変更することができる内燃機関に本発明を同様に適用することが可能である。また、上記実施例においては、機関弁21〜23を電磁弁とし、吸気弁21の開時期(IVO)にかかわらずIVCのみを変更可能な構成としているが、これに限定されるものではなく、例えば、吸気弁の開時期と閉時期を同時に変更する周知のバルブタイミング変更機構(VTC)を用いても良い。
The characteristic technical ideas of the present invention that can be understood from the above description will be listed with reference to the above-described embodiments. However, the present invention is not limited to the configuration of the embodiment given the reference numerals, and includes various modifications and changes. For example, the present invention can be similarly applied not only to the reciprocating internal combustion engine shown in FIG. 1 but also to an internal combustion engine that can change the intake piston speed according to the engine speed and the required load. Moreover, in the said Example, it is set as the structure which can change only IVC irrespective of the opening timing (IVO) of the
(1)吸気行程においてピストン13が上死点から下死点に到達するまでのクランクシャフト3の回転角度である吸気行程角度を変更する吸気行程角度変更手段(リニアモータ25)と、機関運転条件に応じて吸気行程角度を可変制御する制御部5と、を有している。
(1) Intake stroke angle changing means (linear motor 25) for changing the intake stroke angle, which is the rotation angle of the
従って、機関運転条件に応じて吸気行程角度を適切に設定することにより、吸気慣性効果を運転条件に応じた形で最大限に得ることができる。 Therefore, by appropriately setting the intake stroke angle according to the engine operating conditions, the intake inertia effect can be obtained to the maximum in the form according to the operating conditions.
(2)図5(B)に示すように、要求トルクが大きいほど吸気行程角度を小さくすることによって、要求トルクの小さい低負荷側でのフリクションの低減化と、要求トルクの大きい高負荷側でのトルク・出力の向上と、を両立することができる。特に、多くの吸入空気を必要とする高負荷側で吸気行程角度を小さくし、そのピストンモーションを速くすることで、要求トルクに応じた多くの吸入空気量を確保することができる。 (2) As shown in FIG. 5B, the larger the required torque, the smaller the intake stroke angle, thereby reducing the friction on the low load side where the required torque is small and the high load side where the required torque is large. Torque and output can be improved. In particular, by reducing the intake stroke angle on the high load side that requires a large amount of intake air and speeding up the piston motion, a large amount of intake air according to the required torque can be secured.
(3)低中負荷時には要求される空気量が最大空気量に比べて少ないため、低回転時においても敢えてピストンスピードを早くする領域を設ける必要が無い。つまり、出力軸回転角度であるクランク角に対して標準的なピストンモーション(例えば、略sin波)でも良い。また、一般的にフリクションはピストン速度に比例して増加するため、ピストン速度が遅い方がフリクションを低く抑えることができる。従って、図5(B)に示すように、要求トルクが小さい所定の低負荷域F1では、吸気行程角度の変更を禁止して、吸気行程角度を最大値に固定する。 (3) Since the amount of air required at low and medium loads is smaller than the maximum amount of air, it is not necessary to provide a region for increasing the piston speed even at low speeds. That is, a standard piston motion (for example, approximately sin wave) with respect to the crank angle that is the output shaft rotation angle may be used. Moreover, since friction generally increases in proportion to the piston speed, the lower the piston speed, the lower the friction. Accordingly, as shown in FIG. 5B, in the predetermined low load region F1 where the required torque is small, the change of the intake stroke angle is prohibited and the intake stroke angle is fixed to the maximum value.
(4)図5(B)に示すように、機関回転数が低いほど吸気行程角度を小さくする。これにより、慣性効果をあまり期待できない低回転側では、吸気行程角度を小さくすることによりピストンスピードを速くして十分な吸入空気量を確保することができる。一方、高回転側では、もともと十分な慣性効果が得られるので、吸気行程角度の増加によりピストン速度を低下させて、そのフリクションを低減することができる。 (4) As shown in FIG. 5B, the intake stroke angle is reduced as the engine speed is lower. As a result, on the low rotation side where an inertial effect cannot be expected so much, it is possible to secure a sufficient intake air amount by increasing the piston speed by reducing the intake stroke angle. On the other hand, since a sufficient inertial effect is originally obtained on the high rotation side, the piston speed can be reduced by increasing the intake stroke angle, and the friction can be reduced.
(5)図5(B)に示すように、機関回転数が高い所定の高回転域F1では、吸気行程角度の変更を禁止して、吸気行程角度を最大値に固定することによって、簡素な制御で不必要なフリクションの増加やポンピングロスの増加を回避することができる。 (5) As shown in FIG. 5B, in a predetermined high engine speed F1 where the engine speed is high, the intake stroke angle is prohibited from being changed, and the intake stroke angle is fixed to the maximum value. It is possible to avoid an unnecessary increase in friction and an increase in pumping loss.
(6)クランクシャフトの回転角度に対する吸気弁の閉時期を変更可能であれば、吸気行程角度の変更に応じて吸気弁の閉時期を操作することによって、より効率的に吸入空気量を確保できる。ここで、吸気行程では、吸気圧縮ピストン13の下降に伴ってシリンダ11の圧縮室14内の圧力が吸気通路17の上流側の吸気圧に対して負圧となり、その後、圧縮室14への空気の流入等により正圧になる。正圧となったタイミングで吸気弁を閉じることができれば、より多くの吸入空気量を確保できるが、遅れると吸気通路17へ吹き戻ってしまう。従って、吸気弁の閉時期は、上記のタイミングに近いことが望ましい。しかし、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離つまり吸気行程角度の変更に伴い、シリンダ内に流入した空気が吹き戻るタイミングも変化する。そこで、図8に示すように、吸気行程角度を小さくする際に、これに応じて吸気弁閉時期を進角させることにより、吸気行程角度に応じて有効に吸入空気量を確保することができる。なお、図9に示すように、吸気弁の閉時期は吸気行程の終わり時期よりも遅角側に設定される。
(6) If the closing timing of the intake valve relative to the rotation angle of the crankshaft can be changed, the intake air amount can be secured more efficiently by operating the closing timing of the intake valve according to the change of the intake stroke angle. . Here, in the intake stroke, as the
(7)吸気行程角度が小さい場合には、慣性効果は増大しているが、空気の流れの遅れによりシリンダ内に十分に空気が充填されるには時間がかかるようになる。従って、図7(B)に示すように、吸気行程角度が所定値α1〜α3より小さい場合には、吸気弁閉時期の進角側への変更を禁止して、吸気弁閉時期を最進角値β1〜β3に固定することによって、簡素な制御でありながら、空気の流れが遅れることの影響を受けずに十分な吸入空気量を確保することができる。 (7) When the intake stroke angle is small, the inertial effect is increased, but it takes time to sufficiently fill the cylinder with air due to the delay of the air flow. Therefore, as shown in FIG. 7B, when the intake stroke angle is smaller than the predetermined values α1 to α3, changing the intake valve closing timing to the advance side is prohibited and the intake valve closing timing is most advanced. By fixing the angle values to β1 to β3, it is possible to secure a sufficient intake air amount without being affected by the delay of the air flow while being simple control.
(8)上記実施例では、図1に示すように、吸気行程及び圧縮行程が行われる吸気圧縮シリンダ11に摺動可能に嵌合する吸気圧縮ピストン13と、膨張行程及び排気行程が行われる膨張排気シリンダ12に摺動可能に嵌合し、クランクシャフト3を回転駆動する膨張排気ピストン15と、上記吸気圧縮ピストン13上に形成される圧縮室14に接続する吸気通路17を開閉する吸気弁21と、上記膨張排気ピストン15上に形成される燃焼室16に接続する排気通路18を開閉する排気弁22と、上記圧縮室14と燃焼室16とを連通する連通路19を開閉する圧縮弁23と、を有しており、上記吸気行程角度変更手段としてのリニアモータ25により吸気圧縮ピストンの吸気行程角度を変化させている。
(8) In the above embodiment, as shown in FIG. 1, the
このようなレシプロ式内燃機関では、上述したように、吸気・圧縮・膨張・排気の4行程をクランクシャフト3の1回転で行うことができるので高出力化が可能で、かつ、吸気圧縮シリンダ11と膨張排気シリンダ12とを別個に構成したので、吸気の冷却が容易であるとともに、圧縮比と膨張比とをそれぞれ適切に設定することができる。
In such a reciprocating internal combustion engine, as described above, four strokes of intake, compression, expansion, and exhaust can be performed by one rotation of the
そして、吸気圧縮ピストン13がクランクシャフト3に連結されておらず、かつ、燃焼圧が作用しないので、比較的小型のリニアモータ25等により吸気圧縮ピストン13の動作、つまりピストンモーション及び吸気行程角度を、クランク角に対して比較的容易に変更・制御することが可能であり、本発明を具現化するのに適した構成である。
Since the
3…クランクシャフト
5…制御部
11…吸気圧縮シリンダ
12…膨張排気シリンダ
13…吸気圧縮ピストン
15…膨張排気ピストン
25…リニアモータ(吸気行程角度変更手段)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
機関運転条件に応じて吸気行程角度を可変制御する制御部と、
を有し、上記制御部によって吸気慣性効果を得るように制御することを特徴とするレシプロ式内燃機関。 An intake stroke angle changing means for changing an intake stroke angle which is a rotation angle of the crankshaft until the piston reaches the bottom dead center from the top dead center in the intake stroke;
A control unit that variably controls the intake stroke angle according to engine operating conditions;
And a reciprocating internal combustion engine controlled by the control unit so as to obtain an intake inertia effect.
上記制御部は、上記吸気行程角度を小さくする際に、上記吸気弁閉時期を進角させることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。 The intake valve closing timing relative to the crankshaft rotation angle can be changed,
6. The reciprocating internal combustion engine according to claim 1, wherein the control unit advances the intake valve closing timing when the intake stroke angle is decreased.
膨張行程及び排気行程が行われる膨張排気シリンダに摺動可能に嵌合し、上記クランクシャフトを回転駆動する膨張排気ピストンと、
上記吸気圧縮ピストン上に形成される圧縮室に接続する吸気通路を開閉する吸気弁と、
上記膨張排気ピストン上に形成される燃焼室に接続する排気通路を開閉する排気弁と、
上記圧縮室と燃焼室とを連通する連通路を開閉する圧縮弁と、を有し、
上記吸気行程角度変更手段が吸気圧縮ピストンの吸気行程角度を変化させることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
An intake compression piston slidably fitted to an intake compression cylinder in which an intake stroke and a compression stroke are performed;
An expansion exhaust piston that is slidably fitted to an expansion exhaust cylinder in which an expansion stroke and an exhaust stroke are performed, and rotationally drives the crankshaft;
An intake valve for opening and closing an intake passage connected to a compression chamber formed on the intake compression piston;
An exhaust valve for opening and closing an exhaust passage connected to a combustion chamber formed on the expansion exhaust piston;
A compression valve that opens and closes a communication passage communicating the compression chamber and the combustion chamber,
8. The reciprocating internal combustion engine according to claim 1, wherein the intake stroke angle changing means changes the intake stroke angle of the intake compression piston.
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