JP2007187046A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって連続的かつ高応答な圧縮比の変更が可能であるとともに、ノック発生を抑制しつつ、高トルクを実現すること。
【解決手段】主燃焼室１４に連通して設けられた副室３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する電磁式の遮断弁３２とを備えた可変圧縮比エンジン１０であって、遮断弁３２の閉弁時期は、要求される圧縮比に応じて圧縮行程中の所定時期に設定されるようにに構成した。また、遮断弁３２は、圧縮行程中に閉弁される一方、排気弁が閉弁している間に開弁されるようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変圧縮比内燃機関に関し、更に詳しくは、簡易な構成によって連続的かつ高応答な圧縮比の変更が可能であるとともに、ノック発生を抑制しつつ、高トルクを実現することができる可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的として、燃焼室の容積を変化させることによってその圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関が開発されている。たとえば、吸・排気弁とは別の制御弁を開閉することにより圧縮比を可変制御し、圧縮開始時に制御弁を開弁し、圧縮途中で制御弁を閉弁するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、（１）シリンダヘッドがシリンダブロックに対して変位することにより圧縮比が変更される技術、（２）クランクシャフトの軸位置が変位することにより圧縮比が変更される技術、（３）主燃焼室の他に設けた副室を遮断弁で開閉することにより圧縮比が変更される技術が提供されている。

特開平３−１４１８３２号公報

上記特許文献１に係る従来の可変圧縮比内燃機関では、ピストンが上昇（圧縮）していても、上記制御弁を開弁して空気を逃しているので、圧縮仕事がなされないと開示されている。

上記従来技術では、出力を出したい場合には、吸入する空気量を増やすことが行われる。空気量が増えると、ノックが発生し易くなるため圧縮比を下げる、すなわち上記制御弁を長く開弁することとなる。すると、圧縮比が下がり、ノック発生を回避し得るものの、上記制御弁を長く開弁して空気吐出量が増加することとなるため、結果として出力が出なくなってしまうという相反する課題を有していた。

また、上記（１）および（２）に係る従来技術にあっては、装置構成が大がかりとなる上に、瞬間的な圧縮比の可変能力（１サイクル毎の可変能力）に欠けるという課題があった。

また、上記（３）に係る従来技術にあっては、開状態と閉状態の２種類の圧縮比が選択できるのみであり、連続的な圧縮比の変更が困難であるという課題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成によって連続的かつ高応答な圧縮比の変更が可能であるとともに、ノック発生を抑制しつつ、高トルクを実現することができる可変圧縮比内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る可変圧縮比内燃機関は、少なくとも、主燃焼室と、前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、を備えた可変圧縮比内燃機関であって、前記遮断弁の閉弁時期は、要求される圧縮比に応じて圧縮行程中の所定時期に設定されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記遮断弁は、圧縮行程中に閉弁される一方、排気弁が閉弁している間に開弁されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１または２に記載の発明において、前記遮断弁は、電磁駆動弁または油圧駆動弁からなることを特徴とするものである。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項１）によれば、簡易な構成によって吸気（新気）の一部を副室内に貯留し、圧縮上死点の主燃焼室内の圧力を下げることでノック発生を回避することができ、ピストンが上死点を過ぎてから遮断弁を開弁することにより、副室内に貯留した新気の一部を燃焼に関与させることができる。これにより、ノック発生を抑制することができるとともに、高トルク（加速フィーリングの向上）を実現することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項２）によれば、あるサイクルで副室に封じ込めた未燃ガス（新気）が、つぎのサイクルのための遮断弁開弁時に排気側に流出し、排気の空燃比を乱すことを抑制することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項３）によれば、クランク角に応じて高応答のタイミングで遮断弁を開閉させることができる。

以下に、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（以下、適宜、可変圧縮比エンジン若しくはエンジンと称する）の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図であり、後述する図２のＡ−Ａ断面図である。図２は、主燃焼室内から見たシリンダヘッドを示す下面図、図３は、遮断弁が開弁した様子を示す断面図である。

図１〜図３に示すように、エンジン１０は、吸気ポート１６や排気ポート（図示せず）、点火栓１５、インジェクタ２４、吸気弁１７や排気弁２５（図２参照）等のエンジン弁を所定タイミングで駆動するためのエンジン弁アクチュエータ１８、弁シート１７ａ等を備え、エンジン１０の基本構成および基本動作は、公知のエンジン（副室を備えていない通常のエンジン）とほぼ同様である。

異なる点は、主燃焼室１４に連通して設けられた副室３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する遮断弁３２とを備えていることである。

主燃焼室１４は、シリンダブロック１１内に往復動自在に配設されたピストン１３と、シリンダヘッド１２の下面とで形成されている。また、副室３０および遮断弁３２は、排気弁２５（図２参照）の間に配置されている。また、主燃焼室１４に対する副室３０の開口部は、主燃焼室１４に臨み、かつ吸気ポート１６の開口部とほぼ同一高さとなるように配置されている。

すなわち、このエンジン１０は、副室３０の遮断弁３２を開弁することにより燃焼室の容積が副室３０の容積分増加するため低い圧縮比が設定され、遮断弁３２を閉弁することにより主燃焼室１４の容積のみで決まる高い圧縮比が設定されるものである。

遮断弁３２は、電磁駆動式の遮断弁アクチュエータ３４によって開閉駆動されるように構成されている。この遮断弁アクチュエータ３４は、ケース３５と、このケース３５内に配され、弁ステムガイド４３によって移動自在に支持された遮断弁３２をロアリテーナ４１で押圧するアーマチャ３６と、このアーマチャ３６を電磁力によって上下動させるためのアッパコア３７およびロアコア４０と、アーマチャ３６を下方に付勢するためのアッパスプリング３８およびスクリュ３９と、遮断弁３２を閉弁方向に付勢するロアスプリング４２等とから構成されている。

遮断弁３２は、閉弁時にはロアスプリング４２の付勢により弁シート３２ａに押圧されている。また、遮断弁３２は、アーマチャ３６がロアコア４０による電磁力によりロアスプリング４２の付勢力に抗して下方に引き付けられて開弁する。

なお、エンジン弁アクチュエータ１８は、吸気弁１７を駆動するものについて図示され、カム１９、リテーナ２０、弁リフタ２１、弁スプリング２２、弁ステムガイド２３等の公知部材により構成されている。

また、排気弁２５に係るエンジン弁アクチュエータについてもこれとほぼ同様に構成されている。また、上記各部材は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。

つぎに、連続可変圧縮の方法（動作原理）について説明する。上述のような構成を用いて圧縮行程内の適切なタイミングで遮断弁３２を閉弁した場合、以下のように行程が推移することになる。すなわち、副室３０の内容積をＶsubとし、ピストン１３が吸気下死点から上昇を始め、吸気弁１７が閉弁するものとする。この時の主燃焼室１４の内容積をＶicとする。

そして、ピストン１３は上昇を続け、遮断弁３２が閉弁する。この時の主燃焼室１４の内容積をＶとする。更にピストン１３が圧縮上死点を迎える。この時の主燃焼室１４の内容積をＶtdcとする。

吸気弁１７が閉弁した時、主燃焼室１４と副室３０には、合わせて質量Ｍの新気が閉じ込められたとすると、そのうち主燃焼室１４内にある新気の質量ｍ1は、次式（１）で表される。
ｍ1＝Ｍ×Ｖic／（Ｖic＋Ｖsub） ・・・・・・（１）

その後、ピストン１３が上昇し、遮断弁３２が閉弁する時に主燃焼室１４内にある新気の質量ｍ2はその時の体積割合に等しく、次式（２）で表される。
ｍ2＝Ｍ×Ｖ／（Ｖ＋Ｖsub） ・・・・・・（２）

これは、吸気弁１７の閉弁により、主燃焼室１４（内容積Ｖic）には、質量ｍ1の新気が閉じ込められたが、途中でピストン１３の上昇に伴い、副室３０に向かって一部をはき出したことを示し（ｍ1＞ｍ2）、最終的には遮断弁３２が閉弁した状態で質量ｍ2の新気を圧縮上死点（内容積Ｖtdc）まで圧縮することになる。

換言すれば、圧縮開始の主燃焼室１４の内容積をＶicではなく、上式（１）および（２）を用いて、次式（３）で表されるＶstartとして、始めから遮断弁３２を閉弁しておくことと同じになる。
Ｖstart＝Ｖic×ｍ2／ｍ1＝（Ｖic＋Ｖsub）×Ｖ／（Ｖ＋Ｖsub） ・・・（３）

この時の圧縮比ε、すなわち圧縮行程内の適切なタイミングで遮断弁３２を閉弁した時の実際の圧縮比は、閉弁時の内容積Ｖの関数として、上式（３）を用いることにより、次式（４）で表される。
ε＝Ｖstart／Ｖtdc＝（Ｖic＋Ｖsub）×Ｖ／（Ｖ＋Ｖsub）／Ｖtdc ・・・（４）

Ｖ＝Ｖicすなわち遮断弁３２を最初から閉弁している時が最も高圧縮状態になり、その時の最大圧縮比εmaxは、次式（５）で表される。
εmax＝Ｖic／Ｖtdc ・・・（５）

また、Ｖ＝Ｖtdcすなわち遮断弁３２を最後まで閉弁しない時が最も低圧縮状態になり、その時の最小圧縮比εminは、次式（６）で表される。
εmin＝（Ｖic＋Ｖsub）／（Ｖtdc＋Ｖsub） ・・・（６）

このように、遮断弁３２の閉弁タイミングを適切に制御することにより、圧縮比εを最小圧縮比εminから最大圧縮比εmaxの間で連続的に変化させることが可能となる。

たとえば、遮断弁３２の閉弁タイミングａ，ｂ，ｃ，ｄに対応した、筒内圧力（圧縮比）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを図４に示す。また、図４中に常時閉弁（高圧縮比）の場合と、常時開弁（低圧縮比）の場合とを併せて示す。ここで、図４は、遮断弁３２の閉弁タイミングと圧縮比との関係を示すグラフである。

つぎに、本実施例１に係る遮断弁３２等の制御方法について図５に基づいて説明する。ここで、図５は、制御動作を示すフローチャートである。以下の制御は、たとえばクランク角１度毎に実行される。

先ず、現時点が圧縮比決定タイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１０）。すなわち、圧縮行程の直前のクランク角に同期した所定タイミングであるか否かを判断する。たとえば、そのタイミングとして、排気弁の閉弁時や吸気ＴＤＣ時とすることができる。

圧縮比決定タイミングであるならば（ステップＳ１０肯定）、たとえばエンジン回転数ＮＥとスロットル角ＴＡに基づいたマップから、圧縮比εを決定する（ステップＳ２０）。

更に、たとえば上記圧縮比εと、上記エンジン回転数ＮＥに基づいたマップから、遮断弁３２の閉弁開始タイミングＣＬを決定する（ステップＳ３０）。

つぎに、上記圧縮比εが最大圧縮比εmaxを要求されていないか否かを判断する（ステップＳ４０）。たとえば、高エンジン回転数・低負荷の場合に最大圧縮比εmaxが要求される。

上記圧縮比εが最大圧縮比εmaxを要求されていない場合には（ステップＳ４０肯定）、現在、遮断弁３２が閉状態であるか否かを判断する（ステップＳ５０）。遮断弁３２が閉状態であるならば（ステップＳ５０肯定）、遮断弁３２を開弁（ステップＳ６０）することにより、低圧縮比を設定し、つぎのステップ７０に進む。一方、遮断弁３２が開状態であるならば（ステップＳ５０否定）、つぎのステップ７０に進む。

ステップＳ７０では、上記圧縮比εが最小圧縮比εminを要求されているか否かを判断する。たとえば、低エンジン回転数・高負荷の場合に最小圧縮比εminが要求される。上記圧縮比εが最小圧縮比εminを要求されていないならば（ステップＳ７０肯定）、現在開弁状態の遮断弁３２を閉弁するタイミングとなっているか否かを判断する（ステップＳ８０）。すなわち、現タイミングが、上記ステップＳ３０で決定された閉弁開始タイミングＣＬとなっているか否かを判断する。

遮断弁３２を閉弁するタイミングとなっているならば（ステップＳ８０肯定）、遮断弁３２を閉弁（ステップＳ９０）することにより、現運転状態での最適な圧縮比が設定される。

たとえば、図４に示したグラフでは、筒内容積ａの時に遮断弁３２を閉弁することにより、筒内圧力がＡとなるような圧縮比に設定することができる。同様に、筒内容積がそれぞれｂ、ｃ、ｄの時に閉弁することにより、筒内圧力がそれぞれＢ、Ｃ、Ｄとなるような圧縮比に設定することができる。

一方、遮断弁３２を閉弁するタイミングとなっていないならば（ステップＳ８０否定）、当該タイミングとなるまで遮断弁３２の閉弁（ステップＳ９０）を実行しない。

なお、上記ステップＳ７０において、上記圧縮比εが最小圧縮比εminを要求されているならば（ステップＳ７０否定）、遮断弁３２の開弁状態を維持して本制御を終えることにより、最小圧縮比εminを維持する。

また、上記ステップＳ４０において、上記圧縮比εが最大圧縮比εmaxを要求されている場合には（ステップＳ４０否定）、現在、遮断弁３２が開状態であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。遮断弁３２が開状態であるならば（ステップＳ１００肯定）、遮断弁３２を閉弁（ステップＳ１１０）することにより最高圧縮比εmaxを設定し、本制御を終える。

以上のように、この実施例１に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、上記副室３０を電磁式の遮断弁３２で開閉し、副室３０と主燃焼室１４との連通を制御することで、簡易かつ信頼性の高い構成によってサイクル毎の圧縮比を連続的に制御することができる。

すなわち、吸気（新気）の一部を副室３０内に貯留し、圧縮上死点の主燃焼室１４内圧力を下げることでノック発生を回避することができ、ピストン１３が上死点を過ぎてから遮断弁３２を開弁することにより、副室３０内に貯留した新気の一部を燃焼に関与させることができる。これにより、ノック発生を抑制することができるとともに、高トルク（加速フィーリングの向上）を実現することができる。

本実施例２は、遮断弁３２が圧縮行程中に閉弁される一方、排気弁２５が閉弁している間に開弁されるように構成することにより、副室３０に封じ込めた未燃ガス（新気）が、遮断弁３２の開弁時に排気側に流出し、排気の空燃比を乱すことを抑制するようにしたものである。

本実施例２の基本構成は、上記実施例１の場合と同様であり、図６に示すように、制御方法が上記実施例１の場合と異なる。すなわち、上記実施例１の制御方法にステップＳ９２およびステップＳ９４を付加したものが本実施例２である。ここで、図６は、この発明の実施例２に係る制御動作を示すフローチャートである。

図６に示すように、遮断弁３２を閉弁した（ステップＳ９０）後、遮断弁３２の開弁タイミングとなっているか否かを判断する（ステップＳ９２）。すなわち、排気弁２５が閉弁しているか否かを判断する。排気弁２５が閉弁しているならば（ステップＳ９２肯定）、遮断弁３２を開弁する（ステップＳ９４）。

以上のように、この実施例２に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、圧縮行程中に副室３０に封じ込めた未燃ガス（新気）が、遮断弁３２の開弁時に排気側に流出し、排気の空燃比を乱すことを抑制することができる。

なお、上記実施例においては、遮断弁３２を応答性の良い電磁駆動式のものであるとして説明したが、これに限定されず、クランク角に応じて高応答の開閉タイミングを実現できれば、たとえば油圧駆動式であってもよい。

また、インジェクタ２４による直噴方式の燃料噴射例を示したが、これに限定されず、ポート噴射であってもよい。

また、副室３０および遮断弁３２は、排気弁２５の間に配置されているものとして説明したが、これに限定されず、吸気弁１７の間、またはその他の場所に配置してもよい。また、副室３０および遮断弁３２を複数設けてもよい。

以上のように、この発明に係る可変圧縮比内燃機関は、シリンダ内のガス量が変化せず、圧縮比のみを可変制御できる可変圧縮比内燃機関に有用であり、特に、簡易な構成によって連続的かつ高応答な圧縮比の変更が可能であるとともに、ノック発生を抑制しつつ、高トルクを実現することを目指す可変圧縮比内燃機関に適している。

この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 主燃焼室内から見たシリンダヘッドを示す下面図である。 遮断弁が開弁した様子を示す断面図である。 遮断弁の閉弁タイミングと圧縮比との関係を示すグラフである。 制御動作を示すフローチャートである。 この発明の実施例２に係る制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 可変圧縮比エンジン（可変圧縮比内燃機関）
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ピストン
１４ 主燃焼室
１５ 点火栓
１６ 吸気ポート
１７ 吸気弁
１７ａ 弁シート
１８ エンジン弁アクチュエータ
１９ カム
２０ リテーナ
２１ 弁リフタ
２２ 弁スプリング
２３ 弁ステムガイド
２４ インジェクタ
２５ 排気弁
３０ 副室
３２ 遮断弁
３２ａ 弁シート
３４ 遮断弁アクチュエータ
３５ ケース
３６ アーマチャ
３７ アッパコア
３８ アッパスプリング
３９ スクリュ
４０ ロアコア
４１ ロアリテーナ
４２ ロアスプリング
４３ 弁ステムガイド

Claims (3)

1. 少なくとも、主燃焼室と、
   前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、
   開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、
   を備えた可変圧縮比内燃機関であって、
   前記遮断弁の閉弁時期は、要求される圧縮比に応じて圧縮行程中の所定時期に設定されることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記遮断弁は、圧縮行程中に閉弁される一方、排気弁が閉弁している間に開弁されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記遮断弁は、電磁駆動弁または油圧駆動弁からなることを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。

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