CN101730792B - 火花点火式内燃发动机及其控制方法 - Google Patents

火花点火式内燃发动机及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101730792B
CN101730792B CN2008800233358A CN200880023335A CN101730792B CN 101730792 B CN101730792 B CN 101730792B CN 2008800233358 A CN2008800233358 A CN 2008800233358A CN 200880023335 A CN200880023335 A CN 200880023335A CN 101730792 B CN101730792 B CN 101730792B
Authority
CN
China
Prior art keywords
compression ratio
valve
closing timing
firing chamber
timing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2008800233358A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101730792A (zh
Inventor
秋久大辅
神山荣一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN101730792A publication Critical patent/CN101730792A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101730792B publication Critical patent/CN101730792B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0223—Variable control of the intake valves only
    • F02D13/0234—Variable control of the intake valves only changing the valve timing only
    • F02D13/0238—Variable control of the intake valves only changing the valve timing only by shifting the phase, i.e. the opening periods of the valves are constant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0269—Controlling the valves to perform a Miller-Atkinson cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/024—Belt drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L1/053—Camshafts overhead type
    • F01L2001/0537—Double overhead camshafts [DOHC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34426—Oil control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/041—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D2041/001—Controlling intake air for engines with variable valve actuation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/18—Control of the engine output torque
    • F02D2250/21—Control of the engine output torque during a transition between engine operation modes or states
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Ignition Timing (AREA)

Abstract

本发明涉及火花点火式内燃发动机及其控制方法。火花点火式内燃发动机包括变更机械压缩比的可变压缩比机构(A)和变更实际压缩开始的开始正时的实际压缩开始正时变更机构(B)。发动机运转时的最大机械压缩比随着发动机转速的增大而减小。

Description

火花点火式内燃发动机及其控制方法
技术领域
本发明涉及火花点火式内燃发动机及控制该火花点火式内燃发动机的方法。
背景技术
现有的火花点火式内燃发动机包括用于变更机械压缩比的可变压缩比机构和用于控制进气门关闭的气门关闭正时的可变气门正时机构，其中，在发动机中负荷或高负荷运转期间，随着施加给发动机的负荷减小，机械压缩比增大且进气门的气门关闭正时延迟(参见例如日本专利申请公开文献No.2004-218522)。
当机械压缩比增大时，燃烧室容积减小，因此当活塞到达上死点时活塞顶面与气缸盖内表面、进气门和排气门之间的空间减小。当此发生时，该空间在使机械压缩比为最大机械压缩比时最小化。另一方面，活塞的惯性力随发动机转速的增大而增大，因此随着发动机转速增大，由于例如连接活塞与曲轴的连杆的伸长，活塞顶面与气缸盖内表面等之间的空间减小。
因此，当在机械压缩比高时发动机转速增大，则担心活塞顶面干涉气缸盖的内表面等，且当使机械压缩比为最大机械压缩比时，发生这的可能性变得最大。然而，在上述内燃发动机中，没有对此担心给出任何考虑。
发明内容
根据本发明的一方面，一种火花点火式内燃发动机包括：可变压缩比机构，该可变压缩比机构变更机械压缩比，该机械压缩比是由燃烧室容积与气缸工作容积之和除以该燃烧室容积而获得的；以及实际压缩开始正时变更机构，该实际压缩开始正时变更机构变更实际压缩开始的开始正时。发动机运转时的最大机械压缩比随着发动机转速的增大而减小。
根据本发明的另一方面，在一种控制火花点火式内燃发动机的方法中，该火花点火式内燃发动机包括：可变压缩比机构，该可变压缩比机构变更机械压缩比，该机械压缩比是由燃烧室容积与气缸工作容积之和除以燃烧室容积而获得的；以及实际压缩开始正时变更机构，该实际压缩开始正时变更机构变更实际压缩开始的开始正时，使发动机运转时的最大机械压缩比随着发动机转速的增大而减小。
通过随着发动机转速的增大来减小最大机械压缩比，可阻止活塞顶面与气缸盖内表面等相互干涉。
附图说明
自以下参照附图对示范实施例的说明，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，其中，相同的数字用于表示相同的部件，且其中：
图1是火花点火式内燃发动机的全体图；
图2是可变压缩比机构的分解透视图；
图3A和3B是内燃发动机的示意侧剖视图；
图4表示可变气门正时机构；
图5是表示进气门和排气门的升程量的示图；
图6A至6C是用于说明机械压缩比、实际压缩机和膨胀比的示图；
图7表示理论热效率与膨胀比之间的关系；
图8A和8B是用于说明正常循环与超高膨胀比循环的示图；
图9是表示对应于施加给发动机的负荷，机械压缩比等的变化的示图；
图10表示最大机械压缩比与发动机转速之间的关系；
图11是用于说明机械压缩比与进气门7的气门关闭正时之间关系的示图；
图12表示机械压缩比、进气门7的气门关闭正时和节气门开度之间的关系；
图13A至13C表示机械压缩比、进气门7的气门关闭正时和节气门开度的映射；以及
图14是用于执行运转控制的流程图。
具体实施方式
图1表示火花点火式内燃发动机的侧剖视图。参照图1，分别地，参考数字1指示曲轴箱；2，气缸体；3，气缸盖；4，活塞；5，燃烧室；6，设在燃烧室5的顶面中央部的火花塞；7，进气门；8，进气口；9，排气门；以及10，排气口。进气口8经由进气管11与稳压箱12连接。各进气管11都设有用于将燃料喷进对应进气口8的燃料喷射阀13。注意，燃料喷射阀13可设在各燃烧室5内，而非安装在各进气管11内。
稳压箱12经由进气道14与空气滤清器15连接。进气道14内设有由致动器16驱动的节气门17和使用例如热线的进气量检测器18。另一方面，排气口10经由排气歧管19与采用例如三元催化剂的催化转化器20连接，空燃比传感器20设在排气歧管19内。
在图1所示的实施例中，可变压缩比机构A设在曲轴箱1与气缸体2之间的连结部。可变压缩比机构A通过变更曲轴箱1与气缸体2之间沿气缸轴线方向的相对位置来变更当活塞4位于压缩上死点时燃烧室5的容积，另外，提供用于变更实际压缩开始正时的实际压缩开始正时变更机构B。在图1所示实施例中，实际压缩开始正时变更机构B是控制进气门7关闭的气门关闭正时的可变气门正时机构。
电子控制单元30是数字计算机且包括经由双向母线31相互连接的只读存储器(ROM)32、随机存取存储器(RAM)33、微处理器(CPU)34、输入口35和输出口36。来自进气量检测器18的输出信号和来自空燃比传感器21的输出信号经由各自的模/数(A/D)转换器37输入给输入口35。用于生成同加速器踏板40的下压量L成比例的输出电压的负荷传感器41与加速器踏板40连接，来自负荷传感器41的输出电压经由对应一个A/D转换器37输入给输入口35。另外，用于每当曲轴转动例如30度就生成输出脉冲的曲轴转角传感器42与输入口35连接。另一方面，输出口36经由对应的驱动电路38与火花塞6、燃料喷射阀13、节气门致动器16、可变压缩比机构A和可变气门正时机构B连接。
图2表示图1所示可变压缩比机构A的分解透视图。图3A和3B表示内燃发动机的示意侧剖视图。参照图2，多个相互分隔的突出部50形成在气缸体的两侧壁的下部区域，具有圆形截面的凸轮插入孔51形成在各突出部50内。另一方面，多个相互分隔且装配到对应突出部50之间空间内的突出部52形成在曲轴箱1的上表面上，具有圆形截面的凸轮插入孔53形成在各突出部52内。
如图2所示，提供有一对凸轮轴54和55，可转动地装配到各自的凸轮插入孔51内的圆形凸轮56安装在凸轮轴54和55上。这些圆形凸轮56与凸轮轴54和55的转动轴线共轴。另一方面，相对于各凸轮轴54和55的转动轴线偏心配置的偏心轴57在各对圆形凸轮56之间延伸，如图3A和3B中利用阴影表示的，另一圆形凸轮58偏心且可转动地装配到偏心轴57上。如图2所示，这些圆形凸轮58设在圆形凸轮56之间，且各圆形凸轮58可转动地插入对应的凸轮插入孔53内。
如果当机构处于图3A所示的状态时固定于凸轮轴54和55上的圆形凸轮56朝向如图3A中实箭头所示的相反方向转动时，偏心轴57移动至下方中央位置。由此，圆形凸轮58如图3A中的虚箭头所示在凸轮插入孔53内朝向与圆形凸轮56的转动方向相反的方向转动，且当偏心轴57如图3B所示到达下方中央位置时，圆形凸轮58的中心到达偏心轴57下方的位置。
如通过比较图3A和3B可以理解的，曲轴箱1与气缸体2之间的相对位置由圆形凸轮56的中心与圆形凸轮58的中心之间的距离决定。随着圆形凸轮56的中心与圆形凸轮58的中心之间的距离增大，气缸体2移动离开曲轴箱1。随着气缸体2移动离开曲轴箱1时，活塞4位于压缩上死点时燃烧室5的容积增大，由此，通过转动凸轮轴54和55，可以变更活塞4位于压缩上死点时燃烧室5的容积。
如图2所示，一对具有相互反向的螺旋齿的蜗轮61和62固定在用于朝向如图2所示的相反方向转动凸轮轴54和55的驱动电机59的转轴上。与蜗轮61和62啮合的齿轮63和64固定在凸轮轴54和55的端部上。此实施例中，通过驱动此驱动电机59，可在广范围内变更活塞4位于压缩上死点时燃烧室5的容积。注意，图1，2，3A和3B所示的可变压缩比机构A仅为一例，可采用任意类型的可变压缩比机构。
图4表示与图1所示驱动进气门7的凸轮轴70的一端连接的可变气门正时机构B。参照图4，可变气门正时机构B包括：利用发动机的曲轴经由正时带朝箭头所示的方向转动的正时带轮71；与正时带轮71一起转动的圆筒形壳体72；与进气门驱动凸轮轴70一起转动且可相对于圆筒形壳体72转动的转轴73；从圆筒形壳体72的内周面延伸至转轴73的外周面的多个隔壁74；以及在隔壁74之间从转轴73的外周面延伸至圆筒形壳体72的内周面的叶片75。提前用液压室76和延迟用液压室77形成在各叶片75的两侧上。
液压室76和77的液压流体的供给控制由液压流体供给控制阀78执行。液压流体供给控制阀78包括：分别与液压室76和77连接的液压口79和80；供从液压泵81排出的液压流体使用的供给口82；一对排泄口83和84；以及用于控制这些口79，80，82，83和84之间的连通和切断的滑阀85。
当进气门驱动凸轮轴70上的凸轮的相位应提前时，滑阀85在图4中移向右方，以经由液压口79将经由供给口82供给的液压流体供应给提前用液压室76，而延迟用液压室77内的液压流体经由排泄口84排出。此情况下，转轴73朝向箭头所示的方向相对于圆筒形壳体72转动。
另一方面，当进气门驱动凸轮轴70上的凸轮的相位应延迟时，滑阀85在图4中移向左方，以经由液压口80将经由供给口82供给的液压流体供应给延迟用液压室77，而提前用液压室76内的液压流体经由排泄口83排出。此情况下，转轴73朝向与箭头所示方向相反的方向相对于圆筒形壳体72转动。
当滑阀85在转轴73正相对于圆筒形壳体72转动的同时返回图4所示的中立位置时，转轴73的相对转动停止且转轴73保持此时的相对转动位置。由此，能够利用可变气门正时机构B使进气门驱动凸轮轴70上的凸轮的相位提前和延迟预期量。
图5中，实线表示利用可变气门正时机构B使进气门驱动凸轮轴70上的凸轮的相位最大提前的情况，虚线表示使进气门驱动凸轮轴70上的凸轮的相位最大延迟的情况。由此，可在图5中实线给定的界限与虚线给定的界限之间的范围内选择性地设定进气门7打开的期间，还可将进气门7的气门关闭正时设定为图5中箭头C所示范围内的选定曲轴转角。
图1至4所示的可变气门正时机构B仅为一例，可采用各种可变气门正时机构，例如，可变更进气门的气门关闭正时而进气门打开的气门打开正时保持不变的可变气门正时机构B。在本发明的此实施例中，可变气门正时机构B用于变更实际压缩开始的正时。因此，除可变气门正时机构外，可采用任何类型的实际压缩开始正时变更机构，只要该实际压缩开始正时变更机构可变更实际压缩开始的正时。
接着，参照图6A至6C，将说明本说明书中使用的术语的意思。图6A至6C中，出于说明目的，表示了一种燃烧室容积为50ml且气缸工作容积为500ml的发动机。图6A至6C中的燃烧室容积指当活塞位于压缩上死点时燃烧室的容积。
图6A说明机械压缩比。机械压缩比是由燃烧室容积和压缩行程期间的气缸工作容积自动确定的值，且用(燃烧室容积+气缸工作容积)/(燃烧室容积)表示。在图6A所示例子的情况下，机械压缩比为(50ml+500ml)/50ml＝11。
图6B说明实际压缩比。实际压缩比是由燃烧室容积和从实际压缩开始时至活塞到达上死点时的气缸工作容积确定的值，且用(燃烧室容积+实际气缸工作容积)/(燃烧室容积)表示。具体的，如图6B所示，即便活塞在压缩行程中开始上升，在进气门打开的同时，压缩也不实际进行，当进气门关闭时，压缩才开始。因此，实际压缩比用实际气缸工作容积如上所述表示。在图6B所示例子的情况下，实际压缩比为(50ml+450ml)/50ml＝10。
图6C说明膨胀比。膨胀比是由膨胀行程期间的气缸工作容积和燃烧室容积确定的值，且用(燃烧室容积+气缸工作容积)/(燃烧室容积)表示。在图6C所示例子的情况下，膨胀比为(50ml+500ml)/50ml＝11。
接着，参照图7，8A和8B，将说明本发明的基本特征。图7表示理论热效率与膨胀比之间的关系。图8A和8B表示根据本发明的负荷选择性使用的正常循环与超高膨胀比循环之间的比较。
图8A表示进气门在下死点附近关闭且利用活塞进行的压缩在进气下死点附近开始的正常循环。与图6A至6C所示例子的情况一样，在图8A所示例子中，燃烧室容积为50ml且气缸工作容积为500ml。如自图8A可见的，在正常循环的情况下，机械压缩比为(50ml+500ml)/50ml＝11，实际压缩比近似11，且膨胀比为(50ml+500ml)/50ml＝11。因此，在正常内燃发动机中，机械压缩比、实际压缩比和膨胀比基本相等。
图7中，实线表示当实际压缩比和膨胀比基本相等时即正常循环情况下理论热效率如何变化。此情况下，自图7可见，随着膨胀比增大即实际压缩比增大，理论热效率增大。因此，在正常循环中，为增大理论热效率，增大实际压缩比足以。然而，由于发动机高负荷运转期间发生爆震(爆燃)带来的限制，实际压缩比的上限约12，因此在正常循环中，理论热效率不能充分地增大。
此状况下，本发明人对理论热效率的提高进行了研究，并严格区分了机械压缩比和实际压缩比。结果，本发明人发现膨胀比对于确定理论热效率起支配作用，而实际压缩比几乎不影响理论热效率。具体的，当实际压缩比增大时，尽管爆发力增大，但需要更多的能量来执行压缩。为此，即便在实际压缩比增大时，理论热效率也几乎不增大。
另一方面，当膨胀比增大时，膨胀行程过程中下压力施加在活塞上的期间延长，使得活塞给曲轴施加力矩的期间延长。由此，随着膨胀比增大，理论热效率增大。图7中的虚线表示在实际压缩比固定为10的状态下当膨胀比增大时热效率如何变化。如自图7可见，在实际压缩比维持低值的状态下当膨胀比增大时理论热效率的增大量与如图7中实线所示当实际压缩比和膨胀比都增大时理论热效率的增大量之间没有任何显著的差异。
当实际压缩比维持低值时，不发生爆震。因此，当膨胀比在实际压缩比维持低值的状态下增大时，可在防止发生爆震的同时显著增大理论热效率。图8B表示利用可变压缩比机构A和可变气门正时机构B在维持实际压缩比于低值的同时膨胀比增大的一例。
参照图8B，此例中，燃烧室容积通过可变压缩比机构A从50ml减小至20ml。另一方面，进气门关闭正时利用可变气门正时机构B延迟，以使实际气缸工作容积从500ml减小至200ml。结果，此例中，实际压缩比为(20ml+200ml)/20ml＝11，且膨胀比为(20ml+500ml)/20ml＝26。在图8A所示的正常循环中，如前所述，实际压缩比近似11且膨胀比为11。与此情况相比，可理解在图8B所示的情况下仅膨胀比增至26。这是为何此循环被称为超高膨胀比循环的原因。
一般，如前所述，在内燃发动机的情况下，当施加给发动机的负荷低时，热效率低。因此，为提高车辆运行时的热效率即改善燃料燃烧效率，有必要提高发动机低负荷运转期间的热效率。然而，在图8B所示的超高膨胀比循环的情况下，压缩行程过程中实际气缸工作容积小，因此可吸入燃烧室5内的进气量少。由此，除了当施加给发动机的负荷较低时以外，不能采用超高膨胀比循环。因此，本发明中，在发动机低负荷运转期间采用图8B所示的超高膨胀比循环，而在发动机高负荷运转期间采用图8A所示的正常循环。
接着，参照图9，将说明运转控制的整个顺序。图9表示机械压缩比、膨胀比、进气门7的气门关闭正时、实际压缩比、进气量、节气门17的开度和泵送损失根据施加给发动机的负荷的变化。注意，在本发明的实施例中，燃烧室5内的平均空燃比通常基于空燃比传感器21的输出信号被反馈控制为理论空燃比，以能够利用催化转化器20中的三元催化剂同时减少排气中未燃烧的HC、CO和NOX。
如前所述，在发动机以高负荷运转期间，实行图8A所示的正常循环。因此，如图9所示，此情况下，机械压缩比低且因而膨胀比低，另外如图9中的实线所示，进气门7的气门关闭正时如图5中的实线所示提前。另外，此情况下，进气量大，且节气门17的开度保持全开或者基本全开，使得泵送损失为零。
另一方面，当发动机负荷如图9所示减小时，机械压缩比相应地增大，且膨胀比也增大。另外，此情况中，随着施加给发动机的负荷如图9中的实线所示减小，进气门7的气门关闭正时延迟，使得实际压缩比保持基本不变。注意，此情况下同样，节气门17保持全开或者基本全开，因而供应进燃烧室5的进气量不通过采用节气门17而通过变更进气门7的气门关闭正时来控制。此情况下同样，泵送损失为零。
当发动机在高负荷下运转且然后施加给该发动机的负荷减小时，机械压缩比随着进气量的减少而增大，而实际压缩比几乎不变。具体的，当活塞4到达压缩上死点时燃烧室5的容积与进气量的减少成比例地减小。因此，当活塞4到达压缩上死点时燃烧室5的容积与进气量的减少成比例地变化。这意味着当活塞4到达压缩上死点时燃烧室5的容积与燃料量成比例地变化，因为燃烧室5内的空燃比是理论空燃比。
随着发动机负荷进一步减小，机械压缩比进一步增大。当机械压缩比到达预定最大机械压缩比时，机械压缩比在负荷低于发动机负荷L1的区域内保持此最大机械压缩比，在该发动机负荷L1，机械压缩比到达最大机械压缩比。由此，在发动机低负荷运转期间，机械压缩比变得最大，且膨胀比也变得最大。换句话说，本发明中，在发动机低负荷运转期间，机械压缩比被最大化以能够获得最大膨胀比。另外，实际压缩比维持基本与发动机中负荷或高负荷运转期间的实际压缩比相同。在根据本发明的此实施例中，最大机械压缩比是由燃烧室5的构造决定的极限机械压缩比。
另一方面，如图9中的实线所示，随着发动机负荷减小，进气门7的气门关闭正时延迟至极限气门关闭正时，极限气门关闭正时给定这样一种界限，在该界限内，能控制供应进燃烧室5的进气量。然后，进气门7的气门关闭正时在负荷低于发动机负荷L2的区域内保持此极限气门关闭正时，在该发动机负荷L2，进气门7的气门关闭正时到达极限气门关闭正时。当进气门7的气门关闭正时保持极限气门关闭正时时，进气量不能通过变更进气门7的气门关闭正时来控制，因而有必要采用其它装置来控制进气量。
对于图9所示的实施例，此情况下，也就是说，在负荷低于进气门7的气门关闭正时到达极限气门关闭正时的发动机负荷L2的区域内，供应进燃烧室5的进气量利用节气门17控制。然而，当利用节气门17控制进气量时，泵送损失如图9所示增大。
同时，如前所述，在图8B所示的超高膨胀比循环的情况下，膨胀比为26。较高膨胀比是所希望的。当膨胀比等于或高于20时，可获得较高的理论热效率。因此，本发明中，可变压缩比机构A被构造成使膨胀比变得等于或高于20。
如图9中的虚线所示，还可通过使进气门7的气门关闭正时随着发动机负荷减小而提前来控制进气量而不采用节气门17。因此，图9中实线所示的情况和虚线所示的情况总述如下。在本发明实施例中，进气门7的气门关闭正时在极限气门关闭正时L2所限定的范围内移动离开进气下死点BDC，该极限气门关闭正时给定这样一种界限，在此界限内，能控制供应进燃烧室的进气量。
如图9所示，本发明实施例中，在发动机低负荷运转期间，使机械压缩比为最大机械压缩比。在此期间，当发动机转速增大时，如前所述，担心活塞4的顶面干涉气缸盖3的内表面、进气门7或排气门9。因此，在本发明实施例中，如图10所示，发动机运转中的最大机械压缩比随着发动机转速增大而减小。
连接活塞4与曲轴的连杆的伸长量例如随着发动机转速增大而按指数规律地增大。因此，在图10所示实施例中，随着发动机转速增大，最大机械压缩比随着减速比逐渐增大而减小。
接着，参照图11，说明在发动机负荷保持不变的状态下机械压缩比的变化与进气门7的气门关闭正时的变化之间的关系。注意，以下将通过例子说明如图9中实线所示的控制进气门7的气门关闭正时的情况。
当进气门7的气门关闭正时为图11中X时，供应进燃烧室的进气量与用ΔX指示的气缸内的空间容积成比例。另一方面，当机械压缩比减小且燃烧室的容积增大ΔV时，为维持发动机负荷不变，即为维持供应进燃烧室的进气量不变，有必要使进气门7的气门关闭正时为用Y指示的气门关闭正时，以使进气门7关闭后气缸内的空间容积ΔY等于气缸内的空间容积ΔX。具体的，当机械压缩比减小时，进气门7的气门关闭正时Y必须相对于气门关闭正时X延迟。
接着，参照图12，将说明机械压缩比、进气门7的气门关闭正时和节气门17的开度之间的关系。注意，在图12中，实线表示在图9所示的低负荷区域内用于发动机低转速的机械压缩比、进气门7的气门关闭正时和节气门17的开度。
根据本发明的实施例，随着发动机转速增大，最大机械压缩比如图12所示从M1减小至M2、M3和M4。在最大机械压缩比变成M4的情况下，例如，当发动机负荷降到L3以下后，机械压缩比维持此最大机械压缩比M4。在此情况下，使发动机负荷与发动机低转速时一样即使供应进燃烧室的进气量与发动机低转速时一样的进气门7的气门关闭正时IC4如参照图11所述的比实线表示的发动机低转速用气门关闭正时迟。
因此，在本发明实施例中，当最大机械压缩比减至M4且机械压缩比维持此最大机械压缩比M4时，进气门7的气门关闭正时IC4相对于用实线表示的发动机低转速用气门关闭正时延迟。类似的，当最大机械压缩比减至M3且机械压缩比维持此最大机械压缩比M3时，进气门7的气门关闭正时IC3相对于用实线表示的发动机低转速用气门关闭正时延迟。
另一方面，当发动机负荷减小时，进气门7的气门关闭正时IC3或IC4由此到达极限气门关闭正时，且当供应进燃烧室的进气量仍然大于同当前发动机负荷对应的进气量时，节气门17如θ3和θ4所示关闭。换句话说，在此情况下，节气门17的开度随着发动机负荷减小而减小。
图12中，当机械压缩比为最大机械压缩比M2时，进气门7的气门关闭正时为极限气门关闭正时，且在此期间，节气门17的开度随着发动机负荷减小而如θ2所示减小。
当最大机械压缩比变化时，如图12所示，不仅与发动机负荷对应的目标机械压缩比变化，而且进气门7的气门关闭正时和节气门17的开度变化。目标机械压缩比CR预先以如图13A所示映射的形式作为发动机负荷L和发动机转速N的函数储存在ROM32中。图12所示的进气门7的气门关闭正时IC也预先以如图13B所示映射的形式作为发动机负荷L和发动机转速N的函数储存在ROM32中。图12所示的节气门17的开度θ也预先以如图13C所示映射的形式作为发动机负荷L和发动机转速N的函数储存在ROM32中。
图14表示运转控制程序。参照图14，首先，在步骤100基于图13A所示的映射计算机械压缩比CR。然后，在步骤101，基于图13B所示的映射计算进气门7关闭的气门关闭正时IC。然后，在步骤102，基于图13C所示的映射计算节气门17的开度θ。在步骤S103，控制可变压缩比机构A以使机械压缩比为机械压缩比CR，并控制可变气门正时机构B以使进气门7的气门关闭正时为气门关闭正时IC。另外，控制致动器16以使节气门17的开度为开度θ。

Claims (12)

1.一种火花点火式内燃发动机，包括：
可变压缩比机构(A)，所述可变压缩比机构变更机械压缩比，所述机械压缩比是由当活塞(4)位于压缩上死点时的燃烧室(5)的容积与气缸工作容积之和除以当所述活塞(4)位于所述压缩上死点时的所述燃烧室(5)的容积而获得的，以及
实际压缩开始正时变更机构(B)，所述实际压缩开始正时变更机构变更实际压缩开始的开始正时，其中
发动机运转时的最大机械压缩比随着发动机转速的增大而减小，
所述火花点火式内燃发动机的特征在于，
其中，所述实际压缩开始正时变更机构(B)是控制进气门(7)的气门关闭正时的可变气门正时机构(B)，以及
其中，供应进所述燃烧室(5)的进气量是通过变更所述进气门(7)的所述气门关闭正时来控制的，
其中，当所述最大机械压缩比减小时，所述进气门(7)的所述气门关闭正时移动离开进气下死点，
所述火花点火式内燃发动机还包括用于调整供应进所述燃烧室(5)的所述进气量的节气门(17)，其中
当所述最大机械压缩比减小时，所述进气门(7)的所述气门关闭正时在极限气门关闭正时所限定的范围内移动离开所述进气下死点，所述极限气门关闭正时给定这样一种界限，在所述界限内，能控制供应进所述燃烧室(5)的所述进气量，以及当供应进所述燃烧室(5)的所述进气量仍然大于与发动机负荷相对应的进气量时，所述节气门(17)被朝气门关闭方向驱动。
2.根据权利要求1所述的火花点火式内燃发动机，其中，当所述发动机在比预定值低的负荷下运转时，所述机械压缩比被最大化以获得最大膨胀比。
3.根据权利要求2所述的火花点火式内燃发动机，其中，所述最大膨胀比等于或大于20。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的火花点火式内燃发动机，其中，随着施加给所述发动机的负荷减小，所述机械压缩比被增至所述最大机械压缩比。
5.根据权利要求4所述的火花点火式内燃发动机，其中，在所述发动机负荷比所述机械压缩比到达所述最大机械压缩比时的发动机负荷低的区域内，所述机械压缩比被保持于所述最大机械压缩比。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的火花点火式内燃发动机，其中，所述节气门(17)通常保持全开。
7.一种控制火花点火式内燃发动机的方法，所述火花点火式内燃发动机包括：可变压缩比机构(A)，所述可变压缩比机构变更机械压缩比，所述机械压缩比是由当活塞(4)位于压缩上死点时的燃烧室(5)的容积与气缸工作容积之和除以当所述活塞(4)位于所述压缩上死点时的所述燃烧室(5)的容积而获得的；以及实际压缩开始正时变更机构(B)，所述实际压缩开始正时变更机构变更实际压缩开始的开始正时，所述控制方法的特征在于包括：
使发动机运转时的最大机械压缩比随着发动机转速的增大而减小，
其中，所述实际压缩开始正时变更机构(B)是控制进气门(7)的气门关闭正时的可变气门正时机构(B)，
其中，供应进所述燃烧室(5)的进气量是通过变更所述进气门(7)的所述气门关闭正时来控制的，
其中，当所述最大机械压缩比减小时，所述进气门(7)的所述气门关闭正时移动离开进气下死点，以及
其中，当所述最大机械压缩比减小时，所述进气门(7)的所述气门关闭正时在极限气门关闭正时所限定的范围内移动离开所述进气下死点，所述极限气门关闭正时给定这样一种界限，在所述界限内，能控制供应进所述燃烧室(5)的所述进气量，以及当供应进所述燃烧室(5)的所述进气量仍然大于与发动机负荷相对应的进气量时，朝气门关闭方向驱动节气门(17)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述发动机在比预定值低的负荷下运转时，所述机械压缩比被最大化以获得最大膨胀比。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述最大膨胀比等于或大于20。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，随着施加给所述发动机的负荷减小，所述机械压缩比被增至所述最大机械压缩比。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述发动机负荷比所述机械压缩比到达所述最大机械压缩比时的发动机负荷低的区域内，所述机械压缩比被保持于所述最大机械压缩比。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，所述节气门(17)通常保持全开。
CN2008800233358A 2007-07-12 2008-07-11 火花点火式内燃发动机及其控制方法 Expired - Fee Related CN101730792B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP183536/2007 2007-07-12
JP2007183536A JP4450026B2 (ja) 2007-07-12 2007-07-12 火花点火式内燃機関
PCT/IB2008/001809 WO2009007834A2 (en) 2007-07-12 2008-07-11 Spark-ignited internal combustion engine and method of controlling the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101730792A CN101730792A (zh) 2010-06-09
CN101730792B true CN101730792B (zh) 2013-03-06

Family

ID=40152215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008800233358A Expired - Fee Related CN101730792B (zh) 2007-07-12 2008-07-11 火花点火式内燃发动机及其控制方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8302569B2 (zh)
EP (1) EP2165061B1 (zh)
JP (1) JP4450026B2 (zh)
CN (1) CN101730792B (zh)
AT (1) ATE511007T1 (zh)
WO (1) WO2009007834A2 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4259546B2 (ja) * 2006-07-13 2009-04-30 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関
JP4259569B2 (ja) * 2006-11-10 2009-04-30 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関
FR2958333A1 (fr) * 2010-03-30 2011-10-07 Gerard Pequignot Dispositif permettant de faire varier le rapport volumetrique et/ou mecanisme de commande variable des soupapes des moteurs thermiques a pistons
CN102979633A (zh) * 2011-09-06 2013-03-20 北汽福田汽车股份有限公司 压缩比可变的发动机及汽车
JP6065451B2 (ja) * 2012-08-13 2017-01-25 日産自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP6071370B2 (ja) * 2012-09-21 2017-02-01 日立オートモティブシステムズ株式会社 内燃機関の制御装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1418322A2 (en) * 2002-11-05 2004-05-12 Nissan Motor Co., Ltd. Variable compression ratio system for internal combustion engine and method for controlling the system

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002285877A (ja) 2001-03-28 2002-10-03 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関のピストン駆動装置
DE10116264A1 (de) * 2001-03-31 2002-10-02 Daimler Chrysler Ag Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mechanischer Aufladung und variabler Verdichtung
JP2003013764A (ja) 2001-07-02 2003-01-15 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関のピストン−クランク装置
JP4345307B2 (ja) * 2003-01-15 2009-10-14 トヨタ自動車株式会社 可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置
JP4168756B2 (ja) 2003-01-16 2008-10-22 日産自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP4103769B2 (ja) * 2003-10-23 2008-06-18 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP2005220754A (ja) 2004-02-03 2005-08-18 Toyota Motor Corp 可変圧縮比機構を備えた内燃機関
JP4492523B2 (ja) * 2005-10-31 2010-06-30 トヨタ自動車株式会社 圧縮比とバルブ特性を変更可能な内燃機関
JP4259545B2 (ja) * 2006-06-15 2009-04-30 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関
JP4305477B2 (ja) * 2006-07-25 2009-07-29 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関
JP4367550B2 (ja) * 2007-11-06 2009-11-18 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関
JP4367549B2 (ja) * 2007-11-06 2009-11-18 トヨタ自動車株式会社 火花点火式内燃機関

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1418322A2 (en) * 2002-11-05 2004-05-12 Nissan Motor Co., Ltd. Variable compression ratio system for internal combustion engine and method for controlling the system

Also Published As

Publication number Publication date
US8302569B2 (en) 2012-11-06
WO2009007834A2 (en) 2009-01-15
EP2165061A2 (en) 2010-03-24
EP2165061B1 (en) 2011-05-25
ATE511007T1 (de) 2011-06-15
CN101730792A (zh) 2010-06-09
JP2009019593A (ja) 2009-01-29
US20100180869A1 (en) 2010-07-22
JP4450026B2 (ja) 2010-04-14
WO2009007834A3 (en) 2009-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101688480B (zh) 火花点火式内燃发动机及其控制方法
CN101443538B (zh) 控制实际压缩动作的开始正时以及机械压缩比的方法
CN101796281B (zh) 火花点火式内燃机
CN101466933B (zh) 火花点火式内燃发动机
CN101910588B (zh) 火花点火式内燃机
CN102713213B (zh) 火花点火式内燃机
CN101382081B (zh) 火花点火式内燃机的怠速控制装置
CN101495738B (zh) 控制机械压缩比、进气门的关闭正时和气流的方法
CN101548086B (zh) 运转火花点火式内燃发动机的方法
JP4259569B2 (ja) 火花点火式内燃機関
CN101688481B (zh) 火花点火式内燃发动机及其控制方法
CN101796280B (zh) 火花点火式内燃机
CN101730792B (zh) 火花点火式内燃发动机及其控制方法
CN102137994A (zh) 火花点火式内燃机
CN101796282B (zh) 火花点火式内燃机
CN102597464A (zh) 火花点火式内燃机
CN101952576B (zh) 火花点火式内燃机
CN101815854B (zh) 火花点火式内燃机
CN101849092B (zh) 火花点火式内燃机
CN101981295B (zh) 火花点火式内燃机
CN101779024B (zh) 火花点火式内燃机
CN102753802A (zh) 火花点火式内燃机
CN101802371B (zh) 火花点火式内燃机
CN102933816B (zh) 火花点火式内燃机
JP2008274962A (ja) 火花点火式内燃機関

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130306

Termination date: 20210711

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee