JP2006161607A

JP2006161607A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2006161607A
Application number: JP2004351598A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Tominaga; 健介富永
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】ピストン冷却のための専用の装置を追加することなく、内燃機関運転中のピストン温度の上昇を抑制する。
【解決手段】ピストン３の温度を検知するピストン温度検知手段１０と、排気弁６の閉時期または吸気弁５の開時期を可変に制御可能な可変動弁機構と、機関運転中にピストン３の温度と所定値とを比較し、ピストン３の温度が所定温度より高温であると判定した場合には、排気弁６が閉じた後かつ前記吸気行程中に吸気弁５が開くようにマイナスオーバラップ制御を行う制御手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストン温度の上昇を抑制する手段に関する。

内燃機関のピストンは、上面が燃焼室を構成するので、混合気の燃焼による熱を受けやすく、これにより高温となりやすい。そして、ピストンが高温になると、圧縮上死点付近で圧縮による温度上昇とピストンの熱による温度上昇によって、火花点火を行う前に混合気が自己着火してしまう、ノッキングが発生しやすくなるという問題があった。

そこで、特許文献１では、ピストンの下面側からオイルを噴射することによってピストンを冷却する冷却装置が開示されている。
実開昭６１−５９８３１号

しかしながら、特許文献１の冷却装置では、オイルをピストンに噴射するためのポンプや、ポンプを駆動するための駆動装置等が必要となり、また、クランクケース内には噴射用のオイル通路を設ける必要がある。

したがって、従来のエンジンに比べてシステムが複雑化し、また、クランクケースの加工コストが増加する、という問題があった。

そこで、本発明ではピストン冷却専用の装置を新たに設けることなく、ピストン温度の上昇を抑制することを目的とする。

本発明の内燃機関は、ピストン温度を検知するピストン温度検知手段と、排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変に制御可能な可変動弁機構と、機関運転中に前記ピストン温度と所定値とを比較し、前記ピストン温度が所定温度より高温であると判定した場合には、排気弁が閉じた後かつ前記吸気行程中に吸気弁が開くようにマイナスオーバラップ制御を行う制御手段とを備える。

本発明によれば、ピストンが高温になったときにはマイナスオーバラップ制御を行い、吸気行程中に吸気弁及び排気弁が閉じた状態となる期間を設けるので、ピストンの下降によるシリンダ内容積の膨張によって、シリンダ内の温度が低下し、高温となったピストンから熱を奪う。これにより、オイル噴射装置等のピストン冷却専用の装置を設けることなく、バルブタイミングの制御のみでピストン温度の上昇を抑制することができ、耐ノック性の向上を図ることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図1は、本実施形態を適用するシステムの概略図である。

１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、２ａはシリンダブロック２に筒状に設けられたシリンダ、３はシリンダ２ａに摺動可能に収められたピストンである。

ピストン３の冠面３ａは、シリンダヘッド１の下面およびシリンダ２ａの内壁面と燃焼室４を形成する。

燃焼室４を形成するシリンダヘッド下面には、燃焼室４に吸気を導入するための吸気通路７、燃焼室４で燃焼した既燃ガスを排出するための排気通路８が開口しており、それぞれの開口部には、吸気バルブ５、排気バルブ６が摺動可能に備えられる。また、燃焼室４の天井面には、燃焼室４内に導入された混合気に火花点火する点火栓９が配置される。

吸気バルブ５、排気バルブ６の開閉動作および点火栓９の点火時期は、制御手段としてのコントロールユニット（ＥＣＵ）１０によりピストン３に応動して制御される。

ＥＣＵ１０には、機関回転数、吸気圧、吸気量、排気温度、冷却水温等のデータが読み込まれ、これらに基づいて上記の吸気バルブ５および排気バルブ６の開閉、点火時期等の制御を行う。

なお、上記の内燃機関は可変動弁機構を備えており、吸気バルブ５、排気バルブ６の開閉タイミングを機関運転状態に応じて可変に制御することが可能である。

また、ＥＣＵ１０はピストン温度検知手段としての機能も有し、ピストン３の温度の推定を行う。推定方法は、例えば、予め計算等により冷却水温とピストン温度の関係をテーブル化してＥＣＵ１０に格納しておき、運転中に検出した冷却水温の検出値により前記テーブルを検索する。なお、予めピストン温度との関係を求めておくのは、冷却水温に限らず、機関回転数、吸気圧、吸気量、排気温度等の検出値のいずれでも構わない。また、一つの検出値に限らず、複数の検出値に基づいて推定しても構わない。

上記のように構成される機関について、ピストン３の温度上昇を抑制するために、ＥＣＵ１０は図２のフローチャートに示すような制御を行う。

以下、ステップにしたがって説明する。

ステップＳ１では、ピストン３の温度を推定する。推定方法は前述したように冷却水温の検出値に基づいて行う。

ステップＳ２では、推定したピストン温度と予め設定した所定値との比較を行う。予め設定した所定値とは、例えば、ピストン温度とノッキングの発生率との関係を実験等により求め、ノッキング発生率が許容できなくなる程度に高くなる温度に設定する。

ステップＳ２における比較の結果、ピストン温度が所定値より低い場合にはリターンする。ピストン温度が所定値より高い場合にはステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、吸気バルブ５、排気バルブ６のバルブタイミングを変化させ、吸気行程中に吸気バルブ５と排気バルブ６のいずれもが閉弁した期間（マイナスオーバラップ期間）を有するようなバルブタイミングに制御する（以下、このような制御をマイナスオーバラップ制御という）。

図３〜図５に本実施形態で行うマイナスオーバラップ制御のバルブタイミング図を示す。
図中、ＩＶＯは吸気バルブ５開弁時期、ＩＶＣは吸気バルブ５閉弁時期、ＥＶＯは排気バルブ６開弁時期、ＥＶＣは排気バルブ６閉弁時期、ＴＤＣは上死点、ＢＤＣは下死点を表す。

図３は上死点前に排気バルブ６を閉じ、上死点後に吸気バルブ５を開くマイナスオーバラップ制御を表す。

ここで、排気バルブ６を閉じてから上死点までのクランク角度の絶対値（｜ＴＤＣ−ＥＶＣ｜）は上死点後吸気バルブ５が開くまでのクランク角度の絶対値（｜ＴＤＣ−ＩＶＯ｜）よりも小さいものとする。

このように制御することにより、排気バルブ６が閉じてから上死点までは、燃焼室４内はピストン３の上昇によって圧縮されることにより温度上昇するが、上死点後吸気バルブ５が開くまでは、ピストン３が下降することにより膨張して温度が低下する。そして、前述したようにマイナスオーバラップ期間中の膨張期間は圧縮期間よりも長い（｜ＴＤＣ−ＥＶＣ｜＜｜ＴＤＣ−ＩＶＯ｜）ので、マイナスオーバラップ期間終了時の燃焼室４内の温度は、開始時に比べて低くなる。これにより、高温のピストン３から熱が移動することになり、ピストン３の温度上昇を抑制することができる。

なお、上記のようなマイナスオーバラップ制御を行った場合のシリンダ２ａ内の圧力（以下、シリンダ内圧という）の変化は、図６に示すようになる。図６の縦軸、横軸はそれぞれシリンダ内圧、シリンダ容積（燃焼室４の天井面、ピストン３の上面、シリンダ２ａ内壁面で囲まれる容積）の対数をとったものである。

ａが上死点に相当し、吸気行程（線Ａ）の開始とともに、シリンダ内容積の増大に伴ってシリンダ内圧は一旦低下した後、吸気バルブ５を開くと上昇する。ここでの圧力低下により、燃焼室４内の温度が低下する。

ｂは下死点に相当し、圧縮行程（線Ｂ）の開始とともに、シリンダ内容積の減少に伴ってシリンダ内容積は上昇し、圧縮上死点ｃに達する。そして膨張行程（線Ｃ）においてシリンダ内容積の増加とともにシリンダ内圧も低下する。

図４は上死点で排気バルブ６を閉じ、上死点後に吸気バルブ５を開くマイナスオーバラップ制御を表す。これによれば、マイナスオーバラップ期間中に圧縮による温度上昇がなく、吸気バルブ５が開くまでの膨張によって燃焼室４内の温度は低下するので、マイナスオーバラップ期間終了時に燃焼室４内の温度は開始時に比べて低くなり、ピストン３の温度上昇を抑制することができる。

図５は排気バルブ６の閉弁、吸気バルブ５の開弁がともに上死点後となるマイナスオーバラップ制御を表す。これによれば、図４と同様にマイナスオーバラップ期間中に圧縮による温度上昇がなく、マイナスオーバラップ期間終了時の燃焼室４内の温度が開始時に比べて低くなり、ピストン３の温度上昇を抑制することができる。

以上により本実施形態では、ピストン３が高温となったときには図３〜図５に示したようなマイナスオーバラップ制御を行い、吸気行程中に吸気弁及び排気弁が閉じた状態となる期間を設けるので、ピストンの下降によるシリンダ内容積の膨張によってシリンダ内の温度が低下し、高温となったピストンから熱を奪う。これにより、オイル噴射装置等のピストン冷却専用の装置を設けることなく、バルブタイミングの制御のみでピストン温度の上昇を抑制することができ、耐ノック性の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、吸気バルブおよび排気バルブの開閉時期を可変に制御可能な往復動型内燃機関に適用可能である。

本実施形態を適用するシステムの概略図である。本実施形態の制御のフローチャートである。マイナスオーバラップ制御時のバルブタイミングを表す図である。マイナスオーバラップ制御時のバルブタイミングを表す図である。マイナスオーバラップ制御時のバルブタイミングを表す図である。マイナスオーバラップ制御を行ったときのシリンダ内圧とシリンダ容積との関係を表す図である。

符号の説明

１シリンダヘッド
２シリンダブロック
３ピストン
４燃焼室
５吸気バルブ
６排気バルブ
７吸気通路
８排気通路
９点火栓
１０コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims

ピストン温度を検知するピストン温度検知手段と、
排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変に制御可能な可変動弁機構と、
機関運転中に前記ピストン温度と所定値とを比較し、前記ピストン温度が所定温度より高温であると判定した場合には、排気弁が閉じた後かつ前記吸気行程中に吸気弁が開くようにマイナスオーバラップ制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記制御手段は、
前記排気弁閉時期とピストン上死点位置との間のクランクシャフト角度が、
前記吸気弁開時期とピストン上死点位置との間のクランクシャフト角度よりも小さくなるようにマイナスオーバラップ制御する請求項1に記載の内燃機関。
前記制御手段は、
前記排気弁閉時期がピストン上死点位置と略同時期となるようにマイナスオーバラップ制御する請求項1に記載の内燃機関。