JP2007239550A - Compression ratio variable engine - Google Patents

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Hirobumi Tsuchida
博文 土田
Koji Hiratani
康治 平谷
Naoki Takahashi
直樹 高橋
Ryosuke Hiyoshi
亮介 日吉
Daisuke Tanaka
大輔 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain both suppression of an NOx emission and improvement of fuel economy by enabling stable cylinder combustion in a lean state that an excess air ratio λ is set at 2 or more. <P>SOLUTION: The internal combustion engine 1 comprising a compression ratio variable mechanism which makes an engine compression ratio variable and a variable valve mechanism 20 which makes at least close timing of an intake valve 11 variable to control an air-intake amount, detects compression pressure of an engine combustion chamber 101 and judges based on an engine operating state whether or not lean combustion is to be performed. The engine is characterized in that when the lean combustion is performed, the excess air ratio is set at a predetermined excess air ratio and in the same state that the excess air ratio is set at the predetermined excess air ratio, the compression ratio and the intake valve closing timing are controlled according to load so that the compression pressure is always equal to or more than the predetermined pressure even when the load is varied. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は圧縮比可変エンジンに関する。   The present invention relates to a variable compression ratio engine.

従来のいわゆるリーンバーンエンジンは、筒内燃焼が不安定にならず、かつ燃費を向上させるために、希薄空燃比限界を超えない範囲で空燃比をリーンにしている。内燃機関においては、希薄空燃比限界を拡大する手段として、圧縮比を高くするとよいことが一般に知られている。内燃機関の圧縮比を高くする技術としては、空燃比センサの出力および吸気管圧力センサの出力に応じて燃焼室容積を変化させることで、圧縮比を可変にする技術が開示されている。これによって、低負荷時には圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大して、よりリーンな空燃比での運転を可能にしている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭60−240837号公報
In the conventional so-called lean burn engine, in-cylinder combustion does not become unstable, and the air-fuel ratio is made lean within a range that does not exceed the lean air-fuel ratio limit in order to improve fuel efficiency. In an internal combustion engine, it is generally known that a compression ratio should be increased as a means for expanding the lean air-fuel ratio limit. As a technique for increasing the compression ratio of the internal combustion engine, a technique is disclosed in which the compression ratio is made variable by changing the combustion chamber volume in accordance with the output of the air-fuel ratio sensor and the output of the intake pipe pressure sensor. As a result, when the load is low, the compression ratio is increased and the lean air-fuel ratio limit is expanded to enable operation at a leaner air-fuel ratio (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 60-240837

しかし、前述した従来の圧縮比可変エンジンは、吸気管圧力に応じて圧縮比の制御を実施しているが、これは高負荷時のノック抑制を目的としたものであり、吸気管圧力の低い低負荷領域では吸気管圧力に応じた圧縮比の制御は実施していない。一方で、このような低負荷領域でリーン燃焼を行う場合には、空燃比に応じた圧縮比制御を実施し、リーン化に伴って圧縮比を高圧縮比に制御する。したがって、リーン状態のまま負荷が低下した場合、吸気管圧力も低下するが、これによる圧縮比の変更は行われない。そのため、吸気管圧力の低下により圧縮行程終了時の圧力(燃焼開始時の圧力)(以下「圧縮圧力」という)も低下する。リーン燃焼を行う場合、実際に燃焼が開始する圧縮圧力が重要であり、この圧力が下がるとリーン状態での安定した筒内燃焼が困難となる。結果として、リーン化度合いを抑制せざるを得ず、燃費の悪化を招くという問題があった。   However, the above-described conventional compression ratio variable engine controls the compression ratio according to the intake pipe pressure, which is intended to suppress knocking at a high load, and the intake pipe pressure is low. In the low load region, the compression ratio is not controlled according to the intake pipe pressure. On the other hand, when performing lean combustion in such a low load region, the compression ratio control according to the air-fuel ratio is performed, and the compression ratio is controlled to a high compression ratio with the leaning. Therefore, when the load decreases in the lean state, the intake pipe pressure also decreases, but the compression ratio is not changed by this. Therefore, the pressure at the end of the compression stroke (pressure at the start of combustion) (hereinafter referred to as “compression pressure”) also decreases due to the decrease in the intake pipe pressure. When performing lean combustion, the compression pressure at which combustion actually starts is important. When this pressure decreases, stable in-cylinder combustion in a lean state becomes difficult. As a result, there was a problem that the degree of leaning had to be suppressed, leading to deterioration in fuel consumption.

また、リーン燃焼では三元触媒によるNOx(窒素酸化物)低減効果が得られないため、エンジンから直接排出されるNOxを低減することが重要となる。NOx触媒を用いても、ストイキ燃焼での三元触媒のNOx浄化率よりも浄化率は低いため、やはりエンジンから直接排出されるNOxを低減することが重要となる。リーン燃焼においては、空気過剰率が概略2程度でのリーン燃焼を行うことで、NOx排出レベルが大幅に低減することが知られているが、これを実現するには、圧縮圧力を大幅に高めることが必要である。しかし、低負荷領域での負荷変動に伴う吸気管圧力の低下により、実際の圧縮圧力が低下してしまうと、常に空気過剰率を概略2以上の状態に保つことが困難となり、空気過剰率の低下により、NOxの排出量が増大するという問題があった。   Moreover, since the NOx (nitrogen oxide) reduction effect by a three-way catalyst cannot be obtained in lean combustion, it is important to reduce NOx discharged directly from the engine. Even if the NOx catalyst is used, since the purification rate is lower than the NOx purification rate of the three-way catalyst in stoichiometric combustion, it is also important to reduce NOx directly discharged from the engine. In lean combustion, it is known that lean combustion with an excess air ratio of approximately 2 will significantly reduce the NOx emission level, but to achieve this, the compression pressure is greatly increased. It is necessary. However, if the actual compression pressure decreases due to the decrease in the intake pipe pressure accompanying the load fluctuation in the low load region, it is difficult to always maintain the excess air ratio in a state of approximately 2 or more. Due to the decrease, there has been a problem that the amount of NOx emission increases.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、希薄燃焼時には、負荷変動によらず、常に圧縮圧力を所定圧力以上に高めることで、安定したリーン燃焼を行うことを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and at the time of lean combustion, regardless of load fluctuations, the compression pressure is always increased to a predetermined pressure or higher to perform stable lean combustion. With the goal.

本発明は、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変機構と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変にして吸気量を制御する可変動弁機構とを備えた内燃機関において、機関燃焼室の圧縮圧力を検出し、機関運転状態に基づいて希薄燃焼を行うか否かを判断する。前記希薄燃焼を行う場合は、空気過剰率を、所定のリーン空気過剰率に設定し、同じく前記所定のリーン空気過剰率に設定した状態で、前記圧縮圧力が、負荷が変動しても常に所定圧力以上となるように、圧縮比および吸気弁閉時期を負荷に応じて制御することを特徴とする。   The present invention relates to an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism that makes the engine compression ratio variable and a variable valve mechanism that controls at least the intake valve closing timing to control the intake air amount. Is detected, and it is determined whether or not to perform lean combustion based on the engine operating state. When the lean combustion is performed, the excess air ratio is set to a predetermined lean excess air ratio, and is set to the predetermined lean air excess ratio. The compression ratio and the intake valve closing timing are controlled according to the load so as to be equal to or higher than the pressure.

本発明によれば、希薄燃焼時に負荷変動があっても、常に圧縮圧力を所定圧力以上に維持する。したがって、空気過剰率を、例えば概略2以上の極低NOx排出領域に設定する場合においても、安定したリーン燃焼を行うことができる。   According to the present invention, even if there is a load fluctuation during lean combustion, the compression pressure is always maintained at a predetermined pressure or higher. Therefore, even when the excess air ratio is set to, for example, an extremely low NOx emission region of approximately 2 or more, stable lean combustion can be performed.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
(第一実施形態)
図1は、複リンク式圧縮比可変エンジン1を示す図である。このエンジン1は圧縮比可変機構、具体的にはピストン行程を変化させて圧縮比を変更する機構を備えている。なお、圧縮比可変機構を備えるこのエンジン1は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開2001−227367号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a view showing a multi-link compression ratio variable engine 1. The engine 1 includes a variable compression ratio mechanism, specifically, a mechanism that changes the compression ratio by changing the piston stroke. The engine 1 having the variable compression ratio mechanism has been previously proposed by the applicant of the present application. However, since the engine 1 is publicly known, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-227367, only the outline thereof will be described.

クランクシャフト3には、エンジン本体を構成するクランクケース2内の主軸受(図示せず)に回転可能に支持されるクランクジャーナル4を各気筒に設ける。各クランクジャーナル4は、その軸心O1がクランクシャフト3の軸心(回転中心)と一致しており、クランクシャフト3の回転軸部を構成している。 The crankshaft 3 is provided with a crank journal 4 that is rotatably supported by a main bearing (not shown) in the crankcase 2 constituting the engine body in each cylinder. Each crank journal 4 has an axis O 1 that coincides with the axis (rotation center) of the crankshaft 3 and constitutes a rotating shaft portion of the crankshaft 3.

また、クランクシャフト3は、軸心O1から偏心して各気筒に設けられたクランクピン5と、クランクピン5をクランクジャーナル4へ連結するクランクアーム5aと、軸心O1に対してクランクピン5と反対側に配置され、主としてピストン運動の回転一次振動成分を低減するカウンターウェイト5bとを有している。なお、クランクアーム5aとカウンターウェイト5bは、一体的に形成されている。 The crankshaft 3 is eccentric from the axis O 1 , is provided in each cylinder, a crank arm 5 a that connects the crank pin 5 to the crank journal 4, and the crank pin 5 with respect to the axis O 1 . And a counterweight 5b that mainly reduces the rotational primary vibration component of the piston motion. The crank arm 5a and the counterweight 5b are integrally formed.

そして本実施形態では、各気筒に形成されたシリンダ6に摺動可能に嵌合するピストン7と、上記のクランクピン5とを、複数のリンク部材、すなわちアッパリンク8(第一リンク)とロアリンク9(第二リンク)とにより機械的に連携する。   In this embodiment, the piston 7 slidably fitted to the cylinder 6 formed in each cylinder and the crank pin 5 are connected to a plurality of link members, that is, the upper link 8 (first link) and the lower. The link 9 (second link) is mechanically linked.

ロアリンク9は、クランクピン5を狭持するように、2つの本体9a、9bを取付けて構成する。ロアリンク9は、この狭持部分でクランクピン5と軸心O2周りに相対回転可能に連結されている。ロアリンク9を、ほぼ2等分にした一方のロアリンク本体9aと、アッパリンク8の下端側とは、両者を挿通する連結ピン10によって、軸心O3周りに相対回転可能に連結する。一方、他方のロアリンク本体9bと、コントロールリンク11(第三リンク)の上端側とは、両者を挿通する連結ピン12によって軸心O4周りに相対回転可能に連結する。 The lower link 9 is configured by attaching two main bodies 9 a and 9 b so as to sandwich the crankpin 5. The lower link 9 is connected to the crank pin 5 and the axis O 2 so as to be relatively rotatable at the holding portion. The lower link 9, the the one of the lower link body 9a which is almost two equal parts, and the lower end of the upper link 8, the connecting pin 10 inserted through both, relative rotatably connected around axis O 3. On the other hand, the other lower link main body 9b and the upper end side of the control link 11 (third link) are connected to each other around the axis O 4 by a connecting pin 12 through which both are inserted.

また、アッパリンク8の上端側は、ピストン7に固定的に設けられたピストンピン13に、軸心O5周りに相対回転可能に外嵌している。 Further, the upper end side of the upper link 8 is externally fitted to a piston pin 13 fixedly provided on the piston 7 so as to be relatively rotatable around the axis O 5 .

コントロールリンク11の下端側は、クランクケース2に回動可能に支持されるコントロールシャフト14の大径部14aに、その軸心O6周りに揺動可能に外嵌、支持されている。すなわち、コントロールシャフト14の小径部14bの外周には大径部14aが固定的に設けられており、各大径部14aの軸心O6は、小径部14bの軸心O7に対して所定量偏心している。このコントロールシャフト14は、ウォームギア15を介して圧縮比制御アクチュエータ16によって、エンジン1の運転状態に応じて回動制御されるとともに、任意の回動位置で保持されるようになっている。 The lower end of control link 11, the large diameter portion 14a of the control shaft 14 which is rotatably supported on the crankcase 2, swingably fitted on its axis O 6 around and supported. That is, the outer periphery of the small diameter portion 14b of the control shaft 14 has a large diameter portion 14a fixedly provided, the axis O 6 of the large diameter portion 14a is a place with respect to the axis O 7 of the small diameter portion 14b Quantitative eccentricity. The control shaft 14 is controlled to rotate according to the operating state of the engine 1 by a compression ratio control actuator 16 via a worm gear 15 and is held at an arbitrary rotation position.

このような構成により、クランクシャフト3の回転に伴って、クランクピン5、ロアリンク9、アッパリンク8及びピストンピン13を介してピストン7がシリンダ6内を昇降するとともに、ロアリンク9に連結するコントロールリンク11が、下端側の揺動軸心O6を支点として揺動する。 With such a configuration, as the crankshaft 3 rotates, the piston 7 moves up and down in the cylinder 6 via the crankpin 5, the lower link 9, the upper link 8 and the piston pin 13 and is connected to the lower link 9. The control link 11 swings about the swing axis O 6 on the lower end side as a fulcrum.

シリンダ6の頂部を覆うシリンダヘッドには、ペントルーフ型の燃焼室101を凹設する。この燃焼室101の2つの傾斜面にそれぞれ開口するように、吸気ポート102および排気ポート103を形成する。吸気ポート102の先端を吸気弁111が開閉し、かつ排気ポート103の先端を排気弁112が開閉している。ここで、吸気ポート102は、先端部が二股状に分岐しており、各気筒に一対設けられた吸気弁111がそれぞれの先端を開閉している。同様に、排気弁112も各気筒に一対設けられている。そして、これらの4つの弁に囲まれた燃焼室101の中心部に、点火プラグ104を配設する。また、吸気ポート102内には、吸気弁111の開口部へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁105を配設すると共に、吸入空気の流速の強さを調整するスワールコントロールバルブ(図示せず)を配設する。   A pent roof type combustion chamber 101 is recessed in the cylinder head covering the top of the cylinder 6. An intake port 102 and an exhaust port 103 are formed so as to open to two inclined surfaces of the combustion chamber 101, respectively. An intake valve 111 opens and closes the tip of the intake port 102, and an exhaust valve 112 opens and closes the tip of the exhaust port 103. Here, the intake port 102 has a bifurcated tip portion, and a pair of intake valves 111 provided in each cylinder open and close the respective tips. Similarly, a pair of exhaust valves 112 are also provided for each cylinder. A spark plug 104 is disposed at the center of the combustion chamber 101 surrounded by these four valves. In addition, a fuel injection valve 105 that injects fuel toward the opening of the intake valve 111 is disposed in the intake port 102, and a swirl control valve (not shown) that adjusts the strength of the flow velocity of the intake air. Is disposed.

コントローラ50は、CPU、ROM、RAM(図示せず)等からなり、図示しない気筒内の圧力を検出する圧力センサ(圧縮圧力検出手段)等の各種計器によって検出したエンジン1の運転条件を基にエンジン1の点火時期、燃料噴射量および圧縮比等の制御を行う。   The controller 50 includes a CPU, a ROM, a RAM (not shown), and the like, and is based on operating conditions of the engine 1 detected by various instruments such as a pressure sensor (compression pressure detecting means) that detects a pressure in a cylinder (not shown). The ignition timing, fuel injection amount, compression ratio, etc. of the engine 1 are controlled.

図2は複リンク式圧縮比可変エンジン1の圧縮比変更方法を説明する図である。図2(A)および(B)は、高圧縮比位置および低圧縮比位置での各リンク姿勢を示す図である。図2(C)はコントロールシャフト付近の拡大図である。   FIG. 2 is a view for explaining a compression ratio changing method of the multi-link type compression ratio variable engine 1. FIGS. 2A and 2B are views showing the link postures at the high compression ratio position and the low compression ratio position. FIG. 2C is an enlarged view of the vicinity of the control shaft.

コントローラによって圧縮比制御アクチュエータ16を制御し、コントロールシャフト14を回動させることで、コントロールリンク11の揺動軸心となる小径部14bの軸心O7が大径部14aの軸心O6周りに回転する。すなわち、コントロールシャフト14を回転して、小径部14bの位置を変更することで、機関圧縮比が変更する。例えば図2(A)および(C)に示すように軸心O7を位置Aにすれば、上死点位置が高くなり高圧縮比になる。 When the compression ratio control actuator 16 is controlled by the controller and the control shaft 14 is rotated, the axis O 7 of the small diameter portion 14 b that becomes the oscillation axis of the control link 11 is rotated around the axis O 6 of the large diameter portion 14 a. Rotate to. That is, the engine compression ratio is changed by rotating the control shaft 14 and changing the position of the small diameter portion 14b. For example, as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (C), when the axis O 7 is set to the position A, the top dead center position becomes high and the compression ratio becomes high.

そして図2(B)および(C)に示すように、軸心O7を位置Bにすれば、コントロールリンク11が上方へ押し上げられ、軸心O4の位置が上がる。これによりロアリンク9は軸心O2を中心として反時計方向に回転し、軸心O3が下がり、ピストン上死点(TDC)におけるピストン7(軸心O5)の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。 As shown in FIGS. 2B and 2C, when the axis O 7 is set to the position B, the control link 11 is pushed upward, and the position of the axis O 4 is raised. As a result, the lower link 9 rotates counterclockwise about the axis O 2 , the axis O 3 is lowered, and the position of the piston 7 (axis O 5 ) at the piston top dead center (TDC) is lowered. Therefore, the compression ratio becomes a low compression ratio.

図3は、ピストンストローク特性を示す図であり、図3(A)は図3(B)の四角で囲まれた実線部の拡大図である。   FIG. 3 is a diagram showing piston stroke characteristics, and FIG. 3A is an enlarged view of a solid line portion surrounded by a square in FIG. 3B.

複リンク式圧縮比可変エンジン1は、ピストンとクランクシャフトとを一つのリンク(コンロッド)で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。   The multi-link variable compression ratio engine 1 connects a piston and a crankshaft with a single link (connecting rod), and the piston is higher than a normal engine with a constant compression ratio (hereinafter referred to as “normal engine”). There is a characteristic that the period of staying near the dead center is long.

この点について、図3を参照して説明する。図3において、実線は複リンク式圧縮比可変エンジンのピストンストローク特性を示しており、特に、太実線は高圧縮比にしたときのピストンストローク特性を示している。また、細実線は低圧縮比にしたときのピストンストローク特性を示している。鎖線はノーマルエンジンのピストンストローク特性を示している。ここでは、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式圧縮比可変エンジン1のピストンストローク特性が細実線で示されている。この図より、複リンク式圧縮比可変エンジンは、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いことが分かる。   This point will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the solid line shows the piston stroke characteristics of the multi-link compression ratio variable engine, and in particular, the thick solid line shows the piston stroke characteristics when the compression ratio is high. The thin solid line indicates the piston stroke characteristics when the compression ratio is low. A chain line indicates a piston stroke characteristic of a normal engine. Here, the piston stroke characteristics of the multi-link compression ratio variable engine 1 having the same compression ratio as that of the normal engine are indicated by a thin solid line. From this figure, it can be seen that the variable link ratio compression engine has a longer period in which the piston stays near the top dead center than the normal engine having the same compression ratio.

さらにピストンが上死点から所定距離内にあるときを、ピストンが上死点付近にあるとすると、複リンク式圧縮比可変エンジンの高圧縮比のときに上死点付近にあるときの方が、低圧縮比のときに上死点付近にあるときよりも、ピストンの上死点付近滞在期間が長い。すなわち図3(B)において、L1>L2である。   Furthermore, when the piston is within a predetermined distance from the top dead center, and the piston is near the top dead center, it is better when the piston is near the top dead center when the compression ratio variable engine has a high compression ratio. The staying period near the top dead center of the piston is longer than when it is near the top dead center at the low compression ratio. That is, in FIG. 3B, L1> L2.

このように複リンク式圧縮比可変エンジンは、ノーマルエンジンに比べてピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。さらに圧縮比が高い方がピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。ピストンが上死点付近に長く滞在するということは、燃焼中に高圧縮状態が長く維持されるということである。高圧縮状態が長く維持されると、超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができるので燃焼特性が安定する。   In this way, the multi-link compression ratio variable engine has a longer period during which the piston stays near the top dead center than the normal engine. Furthermore, the higher the compression ratio, the longer the piston stays near top dead center. The fact that the piston stays in the vicinity of the top dead center means that the high compression state is maintained for a long time during combustion. When the high compression state is maintained for a long time, relatively large combustion energy can be obtained even in the case of ultra lean combustion, so that the combustion characteristics are stabilized.

次に、図4及び図5を参照して、本発明にかかるエンジン1の吸気弁可変動弁機構20を説明する。図4は、本発明にかかるエンジン1の吸気弁可変動弁機構20を示す斜視図である。図5はリフト・作動角可変機構30の駆動軸方向視図である。なお、この吸気弁可変動弁機構20は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開2002−256905号、特開平11−107725号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。   Next, the intake valve variable valve mechanism 20 of the engine 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a perspective view showing the intake valve variable valve mechanism 20 of the engine 1 according to the present invention. FIG. 5 is a drive shaft direction view of the lift / operating angle variable mechanism 30. The intake valve variable valve mechanism 20 previously proposed by the present applicant has been publicly known, for example, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2002-256905 and 11-107725. Only the outline will be described.

吸気弁可変動弁機構20は、吸気弁111のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構30(吸気弁可変手段)と、吸気弁111のリフト中心角(吸気弁111が最大リフトを迎えるクランク角度位置)の位相を進角又は遅角させる位相可変機構40と、が組み合わされて構成されている。なお、図4では一つの気筒に対応する一対の吸気弁111及びその関連部品のみを簡略的に図示している。   The intake valve variable valve mechanism 20 includes a lift / operation angle variable mechanism 30 (intake valve variable means) that changes the lift / operation angle of the intake valve 111 and a lift center angle of the intake valve 111 (the intake valve 111 has a maximum lift). And a phase variable mechanism 40 for advancing or retarding the phase of the crank angle position). In FIG. 4, only a pair of intake valves 111 corresponding to one cylinder and its related parts are illustrated in a simplified manner.

エンジン1の各気筒には、一対の吸気弁111と一対の排気弁112(図1参照)が設けられている。吸気弁111の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸113が設けられている。駆動軸113は、一端部に設けられた従動スプロケット41等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフト3と連係され、クランクシャフト3に連動して軸周りに回転する。   Each cylinder of the engine 1 is provided with a pair of intake valves 111 and a pair of exhaust valves 112 (see FIG. 1). A hollow drive shaft 113 extending in the cylinder row direction is provided above the intake valve 111. The drive shaft 113 is linked to the crankshaft 3 by a belt or chain (not shown) via a driven sprocket 41 provided at one end portion, and rotates around the axis in conjunction with the crankshaft 3.

駆動軸113には、気筒ごとに、一対の揺動カム120が駆動軸113に対して回転自在に取り付けられている。その作用については後で詳述するが、この一対の揺動カム120が駆動軸113を中心として所定の回転範囲で揺動(上下動)することによって、その下方に位置する吸気弁のバルブリフタ119が押圧され、吸気弁111が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム120は、互いに円筒等で同位相に固定されている。   A pair of swing cams 120 is attached to the drive shaft 113 so as to be rotatable with respect to the drive shaft 113 for each cylinder. As will be described in detail later, the pair of swing cams 120 swings (moves up and down) around a drive shaft 113 within a predetermined rotation range, so that the valve lifter 119 of the intake valve positioned below the swing shaft 120 is located. Is pressed, and the intake valve 111 is lifted downward. The pair of swing cams 120 are fixed to each other in the same phase by a cylinder or the like.

図5において、揺動カム120は、その基端部側に支持孔122aが貫通形成されており、駆動軸113の外周面に回転自在に支持されている。そして、そのカムノーズ123側の端部にピン孔123aが貫通形成されている。揺動カム120の基端下面には、基円面124aと、基円面124aからカムノーズの先端縁側に円弧状に延びるカム面124bとが形成されており、基円面124aとカム面124bとが、揺動カム120の揺動位置に応じてバルブリフタ119に当接する。その際、基円面124aからカム面124bへの接触が滑らかに行われるように、基円面124aとカム面124bの間には、基円面124aよりやや大径の円弧状のランプ面を設けている。   In FIG. 5, the swing cam 120 is formed with a support hole 122 a penetratingly formed on the base end side thereof, and is rotatably supported on the outer peripheral surface of the drive shaft 113. A pin hole 123a is formed through the end of the cam nose 123. A base circle surface 124a and a cam surface 124b extending in an arc shape from the base circle surface 124a to the tip edge side of the cam nose are formed on the bottom surface of the rocking cam 120. The base circle surface 124a and the cam surface 124b However, it contacts the valve lifter 119 according to the swing position of the swing cam 120. At this time, an arc-shaped ramp surface having a slightly larger diameter than the base circle surface 124a is provided between the base circle surface 124a and the cam surface 124b so that the contact from the base circle surface 124a to the cam surface 124b is performed smoothly. Provided.

駆動軸113の外周には、この駆動軸113の軸心P3から所定量だけ偏心した位置に、円筒状の駆動カム115の中心P4が位置するように、駆動カム115を圧入等によって固定する。駆動カム115は、揺動カム120から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定する。そして、駆動カム115の外周面には、リンクアーム125の基端が、回転自在に嵌合している。リンクアーム125は、比較的大径な円環状の基部125aと、基部125aの一部から突設された突出端125bとを備えている。突出端125bには、ピン孔125cが貫通形成されている。 The outer periphery of the drive shaft 113, fixed to a position eccentric from the axis P 3 of the drive shaft 113 by a predetermined amount, so that the center P 4 of the cylindrical drive cam 115 is positioned, by press-fitting the driving cam 115 To do. The drive cam 115 is fixed at a position away from the swing cam 120 by a predetermined distance in the axial direction. The base end of the link arm 125 is rotatably fitted to the outer peripheral surface of the drive cam 115. The link arm 125 includes an annular base portion 125a having a relatively large diameter and a protruding end 125b protruding from a part of the base portion 125a. A pin hole 125c is formed through the protruding end 125b.

駆動軸113の斜め上方には、制御軸116が、駆動軸113と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持されている。制御軸116の外周面には、この制御軸116の軸心P2から所定量だけ偏心した位置に、円筒状の制御カム117の中心P1が位置するように、制御カム117を圧入等によって固定する。制御カム117には、ロッカアーム118が、制御カム117の外周面に回転自在に嵌合している。ロッカアーム118は、制御カム117の軸心P1を支点として揺動する。 A control shaft 116 extends obliquely above the drive shaft 113 in the cylinder row direction in parallel with the drive shaft 113 and is rotatably supported. On the outer peripheral surface of the control shaft 116, the control cam 117 is press-fitted or the like so that the center P 1 of the cylindrical control cam 117 is positioned at a position eccentric from the axis P 2 of the control shaft 116 by a predetermined amount. Fix it. A rocker arm 118 is rotatably fitted to the outer circumferential surface of the control cam 117. The rocker arm 118 swings about the axis P 1 of the control cam 117 as a fulcrum.

なお、ロッカアーム118は、制御カム117に支持される中央の基端部118aを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸び、その両端には一端部118bと他端部118cを有する。また、一端部118b及び他端部118cには、ピン孔118d及び118eがそれぞれ貫通形成されている。   The rocker arm 118 extends in the left-right direction perpendicular to the axial direction around the central base end portion 118a supported by the control cam 117, and has one end 118b and the other end 118c at both ends thereof. Further, pin holes 118d and 118e are formed through the one end 118b and the other end 118c, respectively.

ロッカアーム118の一端部118bと、リンクアーム125の突出端125bとは、ロッカアーム118が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン121によって連結する。そして、ロッカアーム118の他端部118cと、リンク部材126の一端部126aとは、両者を挿通する連結ピン128によって連結する。さらに、リンク部材126の他端部126bと、揺動カム120のカムノーズ123側の端部とは、両者を挿通する連結ピン129によって、ロッカアーム118の下方に揺動カム120が位置するように連結する。各ピン121,128,129の一端部には、リンクアーム125やリンク部材126の軸方向の移動を規制するスナップリングが設けられている。   One end portion 118b of the rocker arm 118 and the protruding end 125b of the link arm 125 are connected by a connecting pin 121 through which the rocker arm 118 is inserted so that the rocker arm 118 is positioned upward. And the other end part 118c of the rocker arm 118 and the one end part 126a of the link member 126 are connected by the connecting pin 128 which penetrates both. Further, the other end portion 126b of the link member 126 and the end portion on the cam nose 123 side of the swing cam 120 are connected so that the swing cam 120 is positioned below the rocker arm 118 by a connecting pin 129 that passes through both of them. To do. A snap ring for restricting the axial movement of the link arm 125 and the link member 126 is provided at one end of each of the pins 121, 128, and 129.

以上のように構成されるリフト・作動角可変機構30によって、クランクシャフト3に連動して駆動軸113が回転すると、駆動カム115及びリンクアーム125を介してロッカアーム118が制御カム117の中心P1を中心として揺動するとともに、リンク部材126を介して揺動カム120が所定の角度範囲を揺動する。この揺動カム120がバルブリフタ119の上面に接触して、このバルブリフタ119を押し下げることで、吸気弁111が開閉駆動される。 When the drive shaft 113 rotates in conjunction with the crankshaft 3 by the lift / operating angle variable mechanism 30 configured as described above, the rocker arm 118 is moved to the center P 1 of the control cam 117 via the drive cam 115 and the link arm 125. And the swing cam 120 swings within a predetermined angle range via the link member 126. When the swing cam 120 comes into contact with the upper surface of the valve lifter 119 and pushes down the valve lifter 119, the intake valve 111 is driven to open and close.

また、制御軸116は、一端部に設けられたリフト量制御アクチュエータ110によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。制御軸116が回転すると、ロッカアーム118の揺動支点となる制御カム117の中心P1も回転変位して、エンジン本体に対してロッカアーム118の支持位置が変化し、この制御軸116が適用される気筒列の全ての気筒の吸気弁111のバルブリフト特性、詳しくはリフト量及び作動角の双方が連続的に変更・制御される。図6に吸気弁のリフト量と作動角との関係を示す。 Further, the control shaft 116 is controlled to rotate within a predetermined rotation angle range by a lift amount control actuator 110 provided at one end. When the control shaft 116 rotates, the center P 1 of the control cam 117 serving as a rocking fulcrum of the rocker arm 118 is also rotationally displaced, and the support position of the rocker arm 118 with respect to the engine body changes, and this control shaft 116 is applied. The valve lift characteristics of the intake valves 111 of all the cylinders in the cylinder row, specifically, both the lift amount and the operating angle are continuously changed and controlled. FIG. 6 shows the relationship between the lift amount of the intake valve and the operating angle.

なお、リフト量制御アクチュエータ110は、エンジン1の運転状態を検出するコントローラ50からの制御信号に基づいて、第一油圧装置51によって制御されている。本発明では、エンジン1の吸入空気量制御をスロットルバルブではなく吸気弁111のバルブリフト量及び開弁時間で行う。そのため、エンジン回転速度が低回転時には小リフト、高回転時には大リフトとなるように制御する。なお、後で詳述するが、上記「小リフト」「大リフト」は最大リフト量が小さいか大きいかを意味している。   The lift amount control actuator 110 is controlled by the first hydraulic device 51 based on a control signal from the controller 50 that detects the operating state of the engine 1. In the present invention, the intake air amount control of the engine 1 is performed not by the throttle valve but by the valve lift amount and the valve opening time of the intake valve 111. For this reason, the engine speed is controlled to be a small lift when the engine speed is low and a large lift when the engine speed is high. As will be described in detail later, the “small lift” and “large lift” mean whether the maximum lift amount is small or large.

また、位相可変機構40は、スプロケット41と駆動軸113とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相角制御アクチュエータ42から構成されている。位相角制御アクチュエータ42は、エンジン1の運転状態を検出するコントローラ50からの制御信号に基づいて、第二油圧装置52によって制御されている。この位相角制御アクチュエータ42への油圧制御によって、スプロケット41と駆動軸113とが相対的に回転し、リフト中心角が遅角する。   The phase variable mechanism 40 includes a phase angle control actuator 42 that relatively rotates the sprocket 41 and the drive shaft 113 within a predetermined angle range. The phase angle control actuator 42 is controlled by the second hydraulic device 52 based on a control signal from the controller 50 that detects the operating state of the engine 1. By the hydraulic pressure control to the phase angle control actuator 42, the sprocket 41 and the drive shaft 113 are relatively rotated, and the lift center angle is retarded.

続いてリフト・作動角可変機構30の作用を詳述する。   Next, the operation of the lift / operating angle variable mechanism 30 will be described in detail.

前述したように、駆動軸113がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム115及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム125を介してロッカアーム118が制御カム117の中心P1を中心として揺動(上下動)する。ロッカアーム118の揺動は、リンク部材126を介して揺動カム120へ伝達され、揺動カム120が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム120が揺動、すなわち上下動することによって、バルブリフタ119が押圧され、吸気弁111が下方にリフトする。 As described above, when the drive shaft 113 rotates in conjunction with the crankshaft, the rocker arm 118 passes the center P 1 of the control cam 117 via the drive cam 115 and the link arm 125 rotatably fitted to the outer periphery thereof. It swings (moves up and down) as the center. The swing of the rocker arm 118 is transmitted to the swing cam 120 via the link member 126, and the swing cam 120 swings within a predetermined angle range. When the swing cam 120 swings, that is, moves up and down, the valve lifter 119 is pressed and the intake valve 111 is lifted downward.

ここで、リフト量制御アクチュエータ110を介して制御軸116が回転すると、ロッカアーム118の揺動支点となる制御カム117の中心P1も回転変位して、エンジン本体に対してロッカアーム118の支持位置が変化し、ひいては揺動カム120の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム120と、バルブリフタ119との初期接触位置も変化する。クランクシャフト一回転あたりの揺動カム120の揺動角は常に一定なので、以下で説明する図7のように最大リフト量が変化する。 Here, when the control shaft 116 via the lift control actuator 110 is rotated, the center P 1 of the control cam 117 serving as a swing fulcrum of the rocker arm 118 also rotationally displaced, the support position of the rocker arm 118 relative to the engine body As a result, the initial swing position of the swing cam 120 changes. Accordingly, the initial contact position between the swing cam 120 and the valve lifter 119 also changes. Since the swing angle of the swing cam 120 per one rotation of the crankshaft is always constant, the maximum lift amount changes as shown in FIG. 7 described below.

図7(A)(B)は、リフト・作動角可変機構30の駆動軸方向視図である。図7(A)は、吸気弁のゼロリフト時に、揺動カム120が最小揺動時と最大揺動時とでどのような位置にあるのかを示す図である。図7(B)は吸気弁のフルリフト時に、揺動カム120が最小揺動時と最大揺動時とでどのような位置にあるのかを示す図である。ここで、吸気弁のゼロリフト時とは、吸気弁111がリフトしないことをいう(つまり吸気弁のリフトはゼロ)。また、吸気弁のフルリフト時とは、吸気弁111が最大のリフト量となることをいう。   7A and 7B are views of the lift / operating angle variable mechanism 30 in the drive axis direction. FIG. 7A is a diagram showing the position of the swing cam 120 when the intake valve is at zero lift when the swing cam 120 is at the minimum swing or at the maximum swing. FIG. 7B is a view showing the position of the swing cam 120 when the intake valve is fully lifted when the swing cam 120 is at the minimum swing or at the maximum swing. Here, the time of zero lift of the intake valve means that the intake valve 111 does not lift (that is, the lift of the intake valve is zero). Also, when the intake valve is fully lifted, it means that the intake valve 111 has the maximum lift amount.

図7(A)に示すように、制御カム117の中心P1が制御軸116の軸心P2の上方に位置し、制御カムの厚肉部117aが上方に位置している場合には、ロッカアーム118は全体として上方へ位置し、揺動カム120の連結ピン129側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム120の初期位置は、そのカム面124bがバルブリフタ119から離れる方向に傾く(図7(A)の左側参照)。したがって、駆動軸113の回転に伴って揺動カム120が揺動した際に、基円面124aが長くバルブリフタに接触し続け、カム面124bがバルブリフタに接触する期間が短くなる。このため、吸気弁111の最大リフト量が小さくなる(図7(A)の右側参照)。つまり、小リフトとなる。また、吸気弁111の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁111の作動角も縮小する。 As shown in FIG. 7A, when the center P 1 of the control cam 117 is located above the axis P 2 of the control shaft 116 and the thick portion 117a of the control cam is located above, The rocker arm 118 is positioned upward as a whole, and the end of the swing cam 120 on the side of the connecting pin 129 is relatively lifted upward. That is, the initial position of the swing cam 120 is inclined in a direction in which the cam surface 124b is separated from the valve lifter 119 (see the left side of FIG. 7A). Therefore, when the swing cam 120 swings with the rotation of the drive shaft 113, the base circle surface 124a continues to contact the valve lifter for a long time, and the period during which the cam surface 124b contacts the valve lifter is shortened. For this reason, the maximum lift amount of the intake valve 111 is reduced (see the right side of FIG. 7A). That is, it becomes a small lift. Further, the crank angle section from the opening timing to the closing timing of the intake valve 111, that is, the operating angle of the intake valve 111 is also reduced.

一方、図7(B)に示すように、制御カム117の中心P1が制御軸116の軸心P2の下方に位置し、制御カムの厚肉部117aが下方に位置している場合には、ロッカアーム118は全体として下方へ位置し、揺動カム120の連結ピン129側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム120の初期位置は、そのカム面124bがバルブリフタ119に近付く方向に傾く(図7(B)の左側参照)。したがって、駆動軸113の回転に伴って揺動カム120が揺動した際に、バルブリフタ119と接触する部位が基円面124aからカム面124bへと直ちに移行する。このため、吸気弁111の最大リフト量が大きくなる(図7(B)の右側参照)。つまり、大リフトとなる。また、吸気弁111の作動角も拡大する。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the center P 1 of the control cam 117 is located below the axis P 2 of the control shaft 116 and the thick portion 117a of the control cam is located below. The rocker arm 118 is positioned downward as a whole, and the end of the rocking cam 120 on the side of the connecting pin 129 is relatively pushed down. That is, the initial position of the swing cam 120 is inclined in a direction in which the cam surface 124b approaches the valve lifter 119 (see the left side of FIG. 7B). Therefore, when the swing cam 120 swings with the rotation of the drive shaft 113, the portion that contacts the valve lifter 119 immediately shifts from the base circle surface 124a to the cam surface 124b. For this reason, the maximum lift amount of the intake valve 111 increases (see the right side of FIG. 7B). That is, it becomes a big lift. In addition, the operating angle of the intake valve 111 is increased.

なお、上記の制御カム117の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁111のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図6に示したように吸気弁111のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁111のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁111の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。   Since the initial position of the control cam 117 can be continuously changed, the valve lift characteristic of the intake valve 111 is continuously changed accordingly. That is, as shown in FIG. 6, the lift amount and the operating angle of the intake valve 111 can be continuously expanded and reduced simultaneously. Depending on the layout of each part, for example, the opening timing and closing timing of the intake valve 111 change substantially symmetrically as the lift amount and operating angle of the intake valve 111 change.

図8は、運転条件と吸気弁閉時期の制御を示す図である。図8に示すように、位相可変機構40と組み合わせることによって、吸気弁111の開時期を一定とし、吸気弁111の閉時期を任意の時期に設定するように作動させることが可能となる。例えば、低負荷域など、吸気弁111の閉時期を早めたい場合は、図8(A)に示すように、低リフト・小作動角にて中心角を進角設定とする。逆に、高負荷域など、吸気弁閉時期を遅くしたい場合には、図8(C)に示すように、高リフト・大作動角にて中心角を遅角設定とする。中負荷域では、両者の中間になるように図8(B)に示すように中間のリフト特性とする。   FIG. 8 is a diagram illustrating control of operating conditions and intake valve closing timing. As shown in FIG. 8, by combining with the phase variable mechanism 40, the opening timing of the intake valve 111 can be made constant and the closing timing of the intake valve 111 can be set to an arbitrary timing. For example, when it is desired to advance the closing timing of the intake valve 111, such as in a low load range, the central angle is set to an advanced angle with a low lift / small operating angle as shown in FIG. Conversely, when it is desired to delay the intake valve closing timing, such as in a high load range, the center angle is set to be retarded at a high lift / large operating angle, as shown in FIG. In the middle load range, an intermediate lift characteristic is set as shown in FIG.

図9は空気過剰率λとNOx排出量の関係を示した図である。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the excess air ratio λ and the NOx emission amount.

図9に示すように、エンジンは、空燃比がストイキ(空気過剰率λ=1)よりも多少リーンの状態で、NOxの排出量が最大となる。そして、それよりもさらにリーンとすることでNOx排出量は減少し、λ=2程度まで空燃比をリーンとして燃焼した場合に、ほぼ0に近いレベルにまでNOx排出量を低減することができる。さらに、エンジンは、空燃比をリーンとした方が燃料消費量を少なくできるため、燃費の向上を図ることができる。しかしながら、エンジンは希薄空燃比限界を超えては混合気中に含有される燃料が少なすぎて筒内燃焼が不安定になり運転できない。   As shown in FIG. 9, the engine has a maximum NOx emission when the air-fuel ratio is somewhat leaner than the stoichiometric air excess ratio λ = 1. Further, the leaner than that, the NOx emission amount is reduced, and when the combustion is performed with the air-fuel ratio being lean to about λ = 2, the NOx emission amount can be reduced to a level almost close to zero. Furthermore, since the engine can reduce fuel consumption when the air-fuel ratio is lean, the fuel consumption can be improved. However, when the engine exceeds the lean air-fuel ratio limit, the amount of fuel contained in the air-fuel mixture is so small that the in-cylinder combustion becomes unstable and cannot be operated.

ところで、希薄空燃比限界を拡大するには、圧縮比を高くするとよいことが知られている。これは、圧縮比が高くなれば、点火時の燃焼室内容積が小さくなるので、少ない燃料でも着火しやすくなるからである。   Incidentally, it is known that the compression ratio should be increased in order to expand the lean air-fuel ratio limit. This is because if the compression ratio is high, the volume of the combustion chamber at the time of ignition is small, so that it is easy to ignite even with a small amount of fuel.

図10は、希薄空燃比限界の空気過剰率と圧縮圧力(圧縮行程終了時の燃焼室圧力(燃焼開始時点の燃焼室圧力))の関係を示した図である。これに示すように、安定した筒内燃焼が可能な希薄空燃比限界の空気過剰率は、圧縮圧力により大きな影響を受ける。すなわち、圧縮圧力を高くすることで、よりリーンな状態でも安定した筒内燃焼が可能となる。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between the excess air ratio at the lean air-fuel ratio limit and the compression pressure (combustion chamber pressure at the end of the compression stroke (combustion chamber pressure at the start of combustion)). As shown, the excess air ratio at the lean air-fuel ratio limit at which stable in-cylinder combustion is possible is greatly influenced by the compression pressure. That is, by increasing the compression pressure, stable in-cylinder combustion is possible even in a leaner state.

ここで、本発明では、エンジン負荷(吸入空気量)の制御はスロットルバルブの開閉制御ではなく、吸気弁閉時期IVCで行っている。一般的なエンジンでは、スロットルバルブの開度を制御することで、吸入空気量を調節し、エンジン負荷の制御を行っている。そのため、吸気弁閉時期IVCは下死点(BDC)近傍に固定されている。このとき、吸気弁閉時期IVCをBDC近傍から上死点(TDC)側に進角させると、ピストン7が下降する途中で、吸気弁111が閉弁することになる。したがって、実圧縮比が低下するため、エンジン出力も低下する。すなわち、進角量を大きくするほど実圧縮比の低下量も大きくなり、エンジン出力も低下する。   Here, in the present invention, the engine load (intake air amount) is controlled not at the throttle valve opening / closing control but at the intake valve closing timing IVC. In a general engine, the amount of intake air is adjusted by controlling the opening of a throttle valve to control the engine load. Therefore, the intake valve closing timing IVC is fixed near the bottom dead center (BDC). At this time, if the intake valve closing timing IVC is advanced from the vicinity of BDC to the top dead center (TDC) side, the intake valve 111 is closed while the piston 7 is being lowered. Accordingly, since the actual compression ratio is reduced, the engine output is also reduced. That is, the amount of decrease in the actual compression ratio increases as the advance amount increases, and the engine output also decreases.

このような特性を利用して、本発明に係るエンジン1は、位相可変機構40によって、原則的には、高負荷時には吸気弁閉時期IVCをBDC近傍とし、負荷の低下に合わせて吸気弁閉時期IVCの進角量が大きくなるように制御している。これにより、スロットバルブを使用せずに、吸気弁閉時期IVCの制御によって、エンジン負荷の制御を行っている。   By utilizing such characteristics, the engine 1 according to the present invention, in principle, uses the variable phase mechanism 40 to set the intake valve closing timing IVC in the vicinity of BDC when the load is high, and closes the intake valve as the load decreases. Control is performed so that the amount of advancement of the timing IVC is increased. Thus, the engine load is controlled by controlling the intake valve closing timing IVC without using a slot valve.

そこで、本発明では、希薄空燃比限界を高めるために、圧縮圧力を高めて安定した筒内燃焼を実現するが、このとき、吸気弁閉時期IVCが変化しても、圧縮圧力が常に所定の圧力以上になるように制御する。このように圧縮圧力を常に所定以上に制御することによって、空気過剰率を概略2以上の極低NOx排出領域に設定する場合においても、安定したリーン燃焼を行うことが可能となる。   Thus, in the present invention, in order to increase the lean air-fuel ratio limit, the in-cylinder combustion is realized by increasing the compression pressure. At this time, even if the intake valve closing timing IVC changes, the compression pressure is always kept at a predetermined value. Control to be above the pressure. Thus, by always controlling the compression pressure to a predetermined value or higher, stable lean combustion can be performed even when the excess air ratio is set to an extremely low NOx emission region of approximately 2 or more.

また、一般的なエンジンでは、全開加速時(全負荷時)に、ノック防止の観点から圧縮比を10前後(最大でも12程度)、吸気弁閉時期を下死点より遅れた側(最も体積効率の高くなる点)に設定している。そして、この時の圧縮圧力は、およそ2(MPa)程度の値となる。しかしながら、図10に示すように、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を行う場合、機関の特性(ボア、ストローク、ガス流動等)にもよるが、少なくともノックを考慮した全開加速時の圧縮圧力よりも高いおよそ3(MPa)程度の圧力が必要となる。   In general engines, at the time of full opening acceleration (at full load), the compression ratio is about 10 (about 12 at the maximum) from the viewpoint of knock prevention, and the intake valve closing timing is behind the bottom dead center (most volume) It is set to the point where efficiency increases. And the compression pressure at this time becomes a value of about 2 (MPa). However, as shown in FIG. 10, when performing lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or more, depending on engine characteristics (bore, stroke, gas flow, etc.), compression at the time of full-open acceleration considering at least knocking A pressure of about 3 (MPa) higher than the pressure is required.

したがって、本実施形態では、例えば、全開加速中などの高負荷運転時にエンジン回転速度が上昇して3000rpmに達した時の圧縮圧力に比べて、リーン燃焼を行う低負荷運転時(エンジン回転速度が3000rpm、略一定速度で走行している場合など)の圧縮圧力を高く設定する必要がある。以下、その制御方法について説明する。   Therefore, in the present embodiment, for example, compared with the compression pressure when the engine rotation speed increases and reaches 3000 rpm during high load operation such as during full-open acceleration, during low load operation (engine rotation speed is lower than the compression pressure). It is necessary to set a high compression pressure (for example, when traveling at a substantially constant speed of 3000 rpm). Hereinafter, the control method will be described.

図11は本実施形態にかかるエンジン1の圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。なお、以下に示す各フローは所定の単時間ごとに繰り返し実行される。   FIG. 11 is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the engine 1 according to this embodiment. In addition, each flow shown below is repeatedly performed for every predetermined single time.

まずステップS101で、コントローラ50が、車両の運転状態判断のためエンジン負荷および回転速度を検出する。   First, in step S101, the controller 50 detects the engine load and the rotational speed for determining the driving state of the vehicle.

次に、ステップS102では、ステップS101で検出したエンジン負荷および回転速度に基づいて、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を許可するか否かを判断する。本実施形態では、エンジン負荷が全負荷時の半分以下(以下「低負荷領域」という)、かつ、エンジン回転速度が3000rpm以上のときに、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を許可する。   Next, in step S102, based on the engine load and rotational speed detected in step S101, it is determined whether or not lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or more is permitted. In the present embodiment, lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or more is permitted when the engine load is less than half of the full load (hereinafter referred to as “low load region”) and the engine rotation speed is 3000 rpm or more.

リーン燃焼が許可されれば、ステップS103に進み、目標空気過剰率λTargetを読み込む。目標空気過剰率λTargetは、エンジン負荷に基づいて、図12に示す予め決められたテーブルを参照して読み込む。図12は、エンジン負荷が全負荷時の半分の負荷付近でλ=2に設定し、負荷の減少に伴ってλをリーンに設定するテーブルである。 If lean combustion is permitted, the process proceeds to step S103, and the target excess air ratio λ Target is read. The target excess air ratio λ Target is read with reference to a predetermined table shown in FIG. 12 based on the engine load. FIG. 12 is a table in which the engine load is set to λ = 2 in the vicinity of half the load at the full load, and λ is set to lean as the load decreases.

目標空気過剰率λTargetが読み込まれると、ステップS104に進み、目標圧縮圧力PcTargetを読み込む。目標圧縮圧力PcTargetは、目標空気過剰率λTargetに基づいて、図13に示す予め決められたテーブルを参照して読み込む。図13は、目標空気過剰率λTargetがリーンであるほど目標圧縮圧力PcTargetが高くなるように設定したテーブルである。 When the target excess air ratio λ Target is read, the process proceeds to step S104, and the target compression pressure Pc Target is read. The target compression pressure Pc Target is read with reference to a predetermined table shown in FIG. 13 based on the target excess air ratio λ Target . FIG. 13 is a table set so that the target compression pressure Pc Target increases as the target excess air ratio λ Target becomes leaner.

目標圧縮圧力PcTargetが読み込まれると、ステップS105に進み、目標吸気弁閉時期IVCTargetを読み込む。本実施形態では、目標吸気弁閉時期IVCTargetは固定値IVCLeanとする。IVCLeanは、例えば、BDC近傍であり、スロットルによる絞りは行わずに、エンジン負荷がちょうど全負荷時の半分の負荷付近でも、空気過剰率をλ=2程度に設定できるような体積効率が高くなる設定とする。なお、運転状態よって吸入空気量は変わってくるので、エンジン回転速度応じてIVCLeanを変化させても良い。 When the target compression pressure Pc Target is read, the process proceeds to step S105, and the target intake valve closing timing IVC Target is read. In the present embodiment, the target intake valve closing timing IVC Target is a fixed value IVC Lean . IVC Lean is, for example, in the vicinity of BDC, and has high volumetric efficiency so that the excess air ratio can be set to about λ = 2 even when the engine load is close to half of the full load without performing throttling by the throttle. It is set as follows. Since the intake air amount changes depending on the operating state, IVC Lean may be changed according to the engine speed.

目標吸気弁閉時期IVCTargetが読み込まれると、ステップS106に進み、目標圧縮比εTargetを算出する。目標圧縮比εTargetは、目標圧縮圧力PcTargetと目標吸気弁閉時期IVCTargetに基づいて、図14に示す予め決められたマップを参照して算出する。図14は、目標圧縮圧力PcTargetが高く、目標吸気弁閉時期IVCTargetがTDC近傍であるほど、目標圧縮比εTargetが高くなるように設定したマップである。 When the target intake valve closing timing IVC Target is read, the process proceeds to step S106, and the target compression ratio ε Target is calculated. The target compression ratio ε Target is calculated with reference to a predetermined map shown in FIG. 14 based on the target compression pressure Pc Target and the target intake valve closing timing IVC Target . FIG. 14 is a map in which the target compression ratio ε Target is set higher as the target compression pressure Pc Target is higher and the target intake valve closing timing IVC Target is near TDC.

なお、目標圧縮比εTargetは、圧縮開始時の圧力が変化するような場合には、その値を補正することが有効である。例えば、高地などでは、大気圧が変化し、空気密度が低くなるため、大気圧、吸気管圧力のいずれかを検出し、検出結果に基づいて目標圧縮比εTargetの値を高い値に補正することが有効である。これにより吸気管圧力が変化する条件でも安定したリーン燃焼が実現できる。 Note that it is effective to correct the target compression ratio ε Target when the pressure at the start of compression changes. For example, at high altitudes, the atmospheric pressure changes and the air density decreases, so either the atmospheric pressure or the intake pipe pressure is detected, and the target compression ratio ε Target is corrected to a high value based on the detection result. It is effective. Thus, stable lean combustion can be realized even under conditions where the intake pipe pressure changes.

ステップS107では、スワールコントロールバルブ(吸気流速を可変とする手段)の開度設定を行う。スワールコントロールバルブの開度設定は、例えば、エンジン回転速度やアクセル開度からその開度を設定する。これによって、燃焼室内に流入する吸気の流速等を可変とし、ガス流動を強化することでリーン状態での燃焼安定化をさらに図ることができる。   In step S107, the opening degree of the swirl control valve (means for making the intake air flow rate variable) is set. The opening of the swirl control valve is set, for example, from the engine speed or the accelerator opening. This makes it possible to further stabilize the combustion in the lean state by making the flow rate of the intake air flowing into the combustion chamber variable and enhancing the gas flow.

ステップS108では、ステップS103、S105、S106で求めた各目標値となるように、空気過剰率λ、吸気弁閉時期IVCおよび圧縮比εを制御する。   In step S108, the excess air ratio λ, the intake valve closing timing IVC, and the compression ratio ε are controlled so that the target values obtained in steps S103, S105, and S106 are obtained.

一方、ステップS102でリーン燃焼が許可されなかった場合は、ステップS109に進む。ステップS109に進むと、目標空気過剰率λTargetを1に設定し、基本的にストイキ燃焼とする。
目標空気過剰率λTargetが読み込まれると、ステップS110に進み、目標吸気弁閉時期IVCTargetを読み込む。上述したように、エンジン負荷の制御はスロットルバルブの開閉制御ではなく、吸気弁閉時期IVCで行われており、目標吸気弁閉時期IVCTargetは、負荷に応じて、図15に示す予め決められたテーブルを参照して算出する。図15は、全負荷時から負荷が減少するにしたがって、目標吸気弁閉時期IVCTargetがBDCより遅角側からTDC側に進角するように設定したテーブルである。目標吸気弁閉時期IVCTargetがBDCより遅角側にある場合が最も体積効率が高く、TDC側に進角するに伴い体積効率は減少する。
On the other hand, if lean combustion is not permitted in step S102, the process proceeds to step S109. In step S109, the target excess air ratio λ Target is set to 1, and stoichiometric combustion is basically performed.
When the target excess air ratio λ Target is read, the process proceeds to step S110, and the target intake valve closing timing IVC Target is read. As described above, the engine load is controlled not at the throttle valve opening / closing control but at the intake valve closing timing IVC. The target intake valve closing timing IVC Target is determined in advance as shown in FIG. 15 according to the load. Calculate with reference to the table. FIG. 15 is a table set so that the target intake valve closing timing IVC Target is advanced from the retarded side to the TDC side from BDC as the load decreases from the time of full load. The volumetric efficiency is highest when the target intake valve closing timing IVC Target is on the retarded side with respect to BDC, and the volumetric efficiency decreases with advancement to the TDC side.

次にステップS111に進み、目標圧縮比εTargetを読み込む。本実施形態では、ストイキ燃焼の場合には、目標圧縮比εTargetは固定とし、全開時でもノックを生じさせないように10程度に設定する。 In step S111, the target compression ratio ε Target is read. In the present embodiment, in the case of stoichiometric combustion, the target compression ratio ε Target is fixed, and is set to about 10 so as not to cause knocking even when fully open.

そして、ステップS108に進み、ステップS109、S110、S111で求めた各目標値となるように、空気過剰率λ、吸気弁閉時期IVCおよび圧縮比εを制御する。   Then, the process proceeds to step S108, and the excess air ratio λ, the intake valve closing timing IVC, and the compression ratio ε are controlled so that the target values obtained in steps S109, S110, and S111 are obtained.

以上のように制御した場合の、負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を図16に示す。 FIG. 16 shows the operating states of the excess air ratio λ, the compression pressure Pc, the compression ratio ε, the volume efficiency η v and the intake valve closing timing IVC when controlled as described above.

以上説明した本実施形態によれば、空気過剰率λを2以上に設定したリーン状態において、負荷変動によらず、全開加速時におけるノック防止の観点から制限されている圧縮比の上限よりも高い圧縮比(圧縮圧力)で燃焼を行うように制御する。したがって、安定した筒内燃焼を行うことができ、さらに燃焼ガス温度が低下することで冷却損失を大幅に低減できるため、NOx排出量の抑制と燃費の向上の両立が可能となる。   According to the present embodiment described above, in the lean state in which the excess air ratio λ is set to 2 or more, it is higher than the upper limit of the compression ratio that is restricted from the viewpoint of preventing knocking at the time of full opening acceleration regardless of load fluctuations. Control is performed so that combustion is performed at a compression ratio (compression pressure). Therefore, stable in-cylinder combustion can be performed, and further, the cooling loss can be significantly reduced by lowering the combustion gas temperature. Therefore, it is possible to simultaneously suppress the NOx emission amount and improve the fuel consumption.

また、エンジン負荷が低負荷になるほどリーンになるように制御することで、低負荷時の燃費をより向上することができる。同時に、低負荷になるほど圧縮比を高めることで、低負荷時においても安定した希薄筒内燃焼が可能である。さらに、このときの吸気量を、吸気弁閉時期を固定して一定に保つ。これによって、低負荷になっても、極端に圧縮圧力を高めることはない(図14等参照)。したがって、極端に圧縮比を高めずに燃焼時の温度圧力を高くすることができ、燃焼安定性を高めることができる。   Further, by controlling so that the engine load becomes leaner as the engine load becomes lower, the fuel efficiency at the time of low load can be further improved. At the same time, by increasing the compression ratio as the load decreases, stable lean in-cylinder combustion is possible even at low loads. Further, the intake amount at this time is kept constant by fixing the intake valve closing timing. As a result, even if the load becomes low, the compression pressure is not extremely increased (see FIG. 14 and the like). Therefore, the temperature pressure at the time of combustion can be increased without extremely increasing the compression ratio, and the combustion stability can be improved.

さらに、スワールコントロールバルブによって、燃焼室内のガス流動を強化することで、リーン燃焼時の燃焼安定性をより向上させることができる。   Further, by enhancing the gas flow in the combustion chamber by the swirl control valve, the combustion stability during lean combustion can be further improved.

(第二実施形態)
図17は第二実施形態にかかるエンジン1の圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。本実施形態は、目標空気過剰率を固定値として、負荷に応じてリーン時の目標吸気弁閉時期IVCTargetを読み込む点で第一実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Second embodiment)
FIG. 17 is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the engine 1 according to the second embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that the target excess air ratio is a fixed value and the target intake valve closing timing IVC Target at the time of lean is read according to the load. Hereinafter, the difference will be mainly described.

ステップS201、S202では、図11の第一実施形態にかかる制御フローのステップS101、S102と同様の制御を実行しており、まずステップS201で、コントローラ50が、車両の運転状態判断のためエンジン負荷および回転速度を検出する。   In steps S201 and S202, the same control as in steps S101 and S102 of the control flow according to the first embodiment of FIG. 11 is executed. First, in step S201, the controller 50 determines the engine load for determining the driving state of the vehicle. And detect rotational speed.

次に、ステップS202で、ステップS101で検出したエンジン負荷および回転速度に基づいて、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を許可するか否かを判断する。本実施形態でも、エンジン回転速度が3000rpm以上、エンジン負荷が低負荷領域のときに、空気過剰率λ=2以上リーン燃焼を許可する。   Next, in step S202, based on the engine load and rotational speed detected in step S101, it is determined whether or not lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or more is permitted. Also in this embodiment, when the engine rotation speed is 3000 rpm or more and the engine load is in a low load region, lean combustion is permitted for an excess air ratio λ = 2 or more.

リーン燃焼が許可されれば、ステップS203に進み、目標空気過剰率λTargetを2に設定する。 If lean combustion is permitted, the process proceeds to step S203, and the target excess air ratio λ Target is set to 2.

ステップS204では、目標圧縮圧力PcTargetを読み込む。目標圧縮圧力PcTargetは、目標空気過剰率λTargetに基づいて、上述した図13に示す予め決められたテーブルを参照して読み込む。本実施形態では、目標空気過剰率λTargetが固定値であるので、目標圧縮圧力PcTargetも固定値としても良い。 In step S204, the target compression pressure Pc Target is read. The target compression pressure Pc Target is read by referring to the predetermined table shown in FIG. 13 described above based on the target excess air ratio λ Target . In the present embodiment, since the target excess air ratio λ Target is a fixed value, the target compression pressure Pc Target may also be a fixed value.

目標圧縮圧力PcTargetが読み込まれると、ステップS205に進み、リーン時の目標吸気弁閉時期IVCTargetを読み込む。目標吸気弁閉時期IVCTargetは、負荷に基づいて、図18に示す予め決められたテーブルを参照して読み込む。図18は、リーン時の体積効率が、ストイキ時の体積効率よりも高くなるように吸気弁閉時期IVCを設定したテーブルである。 When the target compression pressure Pc Target is read, the process proceeds to step S205, and the target intake valve closing timing IVC Target at the time of lean is read. The target intake valve closing timing IVC Target is read based on the load with reference to a predetermined table shown in FIG. FIG. 18 is a table in which the intake valve closing timing IVC is set so that the volumetric efficiency during lean is higher than the volumetric efficiency during stoichiometry.

リーン時の目標吸気弁閉時期IVCTargetが読み込まれると、ステップS206に進む。ステップS206では、図11の第一実施形態にかかる制御フローのステップS106と同様の制御を実行しており、目標圧縮圧力PcTargetと目標吸気弁閉時期IVCTargetに基づいて、目標圧縮比εTargetを算出する。目標圧縮比εTargetは、上述した図14に示す予め決められたマップを参照して算出する。 When the lean target intake valve closing timing IVC Target is read, the process proceeds to step S206. In step S206, the same control as in step S106 of the control flow according to the first embodiment of FIG. 11 is executed, and based on the target compression pressure Pc Target and the target intake valve closing timing IVC Target , the target compression ratio ε Target Is calculated. The target compression ratio ε Target is calculated with reference to the predetermined map shown in FIG.

ステップS207に進むと、ステップS203、S205、S206で求めた各目標値となるように、空気過剰率λ、吸気弁閉時期IVCおよび圧縮比εを制御する。   In step S207, the excess air ratio λ, the intake valve closing timing IVC, and the compression ratio ε are controlled so that the target values obtained in steps S203, S205, and S206 are obtained.

一方、ステップS208、S209、S210で実行されている、ステップS202でリーン燃焼が許可されなかった場合の制御は、第一実施形態と同様の制御を実行しているので、ここでは説明を省略する。   On the other hand, the control executed in steps S208, S209, and S210 when the lean combustion is not permitted in step S202 executes the same control as in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here. .

以上のように制御した場合の、負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を図19に示す。 FIG. 19 shows the operating states of the excess air ratio λ, the compression pressure Pc, the compression ratio ε, the volume efficiency η v, and the intake valve closing timing IVC when controlled as described above.

以上説明した本実施形態によれば、空気過剰率λを2に設定したリーン状態において、全開加速時におけるノック防止の観点から制限されている圧縮比の上限よりも高い圧縮比(圧縮圧力)で燃焼を行うように制御する。したがって、空気過剰率λを2以上に設定することが困難なエンジンでも、安定した筒内燃焼を行うことができる。さらに燃焼ガス温度が低下することで冷却損失を大幅に低減できるため、NOx排出量の抑制と燃費の向上の両立が可能となる。   According to the present embodiment described above, in the lean state in which the excess air ratio λ is set to 2, the compression ratio (compression pressure) is higher than the upper limit of the compression ratio that is restricted from the viewpoint of preventing knocking at the time of full-open acceleration. Control to perform combustion. Therefore, even in an engine where it is difficult to set the excess air ratio λ to 2 or more, stable in-cylinder combustion can be performed. Further, since the combustion gas temperature is lowered, the cooling loss can be greatly reduced, so that it is possible to simultaneously suppress the NOx emission amount and improve the fuel consumption.

また、エンジン負荷が低負荷になるほど、吸気量が減少するように吸気弁閉時期IVCを進角させると共に、圧縮比を高めることで、吸気量の減少に起因する希薄空燃比限界の低下を防ぎ、希薄燃焼を行うことができる。   In addition, as the engine load becomes lower, the intake valve closing timing IVC is advanced so that the intake air amount decreases, and the compression ratio is increased to prevent the lean air-fuel ratio limit from being lowered due to the reduction of the intake air amount. , Lean combustion can be performed.

(第三実施形態)
図20は第三実施形態にかかるエンジン1の圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。本実施形態は、原則的に、エンジン負荷が低負荷領域のときにリーン燃焼
を許可する点で上記実施形態と共通するが、後述するエンジン極低負荷領域のときにはリーン燃焼を禁止する点で上記実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 20 is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the engine 1 according to the third embodiment. This embodiment is in common with the above embodiment in that the lean combustion is permitted when the engine load is in the low load region, but the above point is that the lean combustion is prohibited in the engine extremely low load region described later. It is different from the embodiment. Hereinafter, the difference will be mainly described.

ステップS301では、図11の第一実施形態にかかる制御フローのステップS101と同様の制御を実行しており、まずステップS301で、コントローラ50が、車両の運転状態判断のためエンジン負荷および回転速度を検出する。   In step S301, the same control as in step S101 of the control flow according to the first embodiment of FIG. 11 is executed. First, in step S301, the controller 50 determines the engine load and the rotational speed for determining the driving state of the vehicle. To detect.

次に、ステップS302で、ステップS101で読み込んだエンジン負荷および回転速度に基づいて、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を許可するか否かを判断する。本実施形態では、原則的にエンジン回転速度が3000rpm以上、エンジン負荷が低負荷領域のときに、空気過剰率λ=2以上のリーン燃焼を許可するが、エンジン負荷が全負荷時の1/4以下の極低負荷領域のときには、リーン燃焼を禁止する。   Next, in step S302, based on the engine load and rotational speed read in step S101, it is determined whether or not lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or higher is permitted. In this embodiment, in principle, when the engine speed is 3000 rpm or more and the engine load is in a low load region, lean combustion with an excess air ratio λ = 2 or more is permitted, but the engine load is 1/4 of the full load. Lean combustion is prohibited in the following extremely low load regions.

リーン燃焼が許可されれば、ステップS303に進み、目標空気過剰率λTargetを2に設定する。 If lean combustion is permitted, the process proceeds to step S303, where the target excess air ratio λ Target is set to 2.

次にステップS304に進むと、目標圧縮圧力PcTargetを読み込む。本実施形態では、目標圧縮圧力PcTargetは、負荷に基づいて、図21に示す予め決められたテーブルを参照して読み込む。図21のテーブルは、目標空気過剰率λTargetに関わらず、負荷が低いほど、目標圧縮圧力PcTargetが高くなるように設定する。これは、同じ空気過剰率λ=2のリーン燃焼でも、負荷の低下に伴って燃焼室の温度が低下することから、圧縮圧力Pcを上昇させることで安定した筒内燃焼を実現するためである。 Next, in step S304, the target compression pressure Pc Target is read. In the present embodiment, the target compression pressure Pc Target is read with reference to a predetermined table shown in FIG. 21 based on the load. The table in FIG. 21 is set so that the target compression pressure Pc Target increases as the load decreases regardless of the target excess air ratio λ Target . This is because even in lean combustion with the same excess air ratio λ = 2, the temperature of the combustion chamber decreases as the load decreases, so that stable in-cylinder combustion is realized by increasing the compression pressure Pc. .

ステップS304で目標圧縮圧力PcTargetが読み込まれると、ステップS305に進む。なお、ステップS305〜ステップS307で実行されている制御は、図17の第二実施形態にかかる制御フローのステップS205〜S207と同様の制御を実行しているので、ここでは説明を省略する。 When the target compression pressure Pc Target is read in step S304, the process proceeds to step S305. In addition, since the control currently performed by step S305-step S307 is performing the control similar to step S205-S207 of the control flow concerning 2nd embodiment of FIG. 17, description is abbreviate | omitted here.

一方、ステップS302でリーン燃焼が許可されなかった場合は、ステップS308に進む。ステップS308に進むと、目標空気過剰率λTargetを1に設定し、基本的にストイキ燃焼とする。 On the other hand, if lean combustion is not permitted in step S302, the process proceeds to step S308. In step S308, the target excess air ratio λ Target is set to 1, and the stoichiometric combustion is basically performed.

目標空気過剰率λTargetが読み込まれると、ステップS110に進み、目標吸気弁閉時期IVCTargetを読み込む。エンジン負荷の制御はスロットルバルブの開閉制御ではなく、吸気弁閉時期IVCで行われており、このときの目標吸気弁閉時期IVCTargetは、負荷に応じて、上述した図15に示す予め決められたテーブルを参照して算出する。なお、上記のステップS308、S309で実行されている制御は、図11の第一実施形態にかかる制御フローのステップS109、S110で実行されている制御と同様である。 When the target excess air ratio λ Target is read, the process proceeds to step S110, and the target intake valve closing timing IVC Target is read. The engine load is controlled not at the throttle valve opening / closing control but at the intake valve closing timing IVC. The target intake valve closing timing IVC Target at this time is determined in advance according to the load shown in FIG. Calculate with reference to the table. The control executed in steps S308 and S309 is the same as the control executed in steps S109 and S110 of the control flow according to the first embodiment in FIG.

次に、ステップS310で、改めてエンジン負荷を検出する。   Next, in step S310, the engine load is detected again.

ステップS311では、ステップS310で検出した負荷が低負荷領域内にあるか否かを判断する。そして、ステップS310で検出したエンジン負荷が極低負荷領域よりも高い場合は、ステップS312に進み、全開時でもノックを生じさせないように、目標圧縮比εTargetを10程度に固定する。一方、エンジン負荷が極低負荷領域内の場合は、ステップS313に進む。このときは、吸気弁閉時期がTDCに近づいており(図15等参照)、有効圧縮比が低くなり、筒内燃焼が不安定になる場合もあるため、目標圧縮比εTargetをまず15程度に設定する。ステップS313に進んだ場合には、ステップS306で目標圧縮比εTargetを算出する。目標圧縮比εTargetは、上述した図14に示す予め決められたマップを参照して算出する。 In step S311, it is determined whether or not the load detected in step S310 is within the low load region. If the engine load detected in step S310 is higher than the extremely low load region, the process proceeds to step S312, and the target compression ratio ε Target is fixed to about 10 so as not to cause knocking even when fully open. On the other hand, when the engine load is in the extremely low load region, the process proceeds to step S313. In this case, the intake valve closing timing is approaching the TDC (see Fig. 15 and the like), the effective compression ratio is lowered, because some cases cylinder combustion becomes unstable, the target compression ratio epsilon Target first 15 degree Set to. If the process proceeds to step S313, the target compression ratio ε Target is calculated in step S306. The target compression ratio ε Target is calculated with reference to the predetermined map shown in FIG.

そして、ステップS307に進み、ステップS308、S309、S312、S306で求めた各目標値となるように、空気過剰率λ、吸気弁閉時期IVCおよび圧縮比εを制御する。   Then, the process proceeds to step S307, and the excess air ratio λ, the intake valve closing timing IVC, and the compression ratio ε are controlled so that the target values obtained in steps S308, S309, S312, and S306 are obtained.

以上のように制御した場合の、負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を図22に示す。 FIG. 22 shows the operating states of the excess air ratio λ, the compression pressure Pc, the compression ratio ε, the volume efficiency η v, and the intake valve closing timing IVC when controlled as described above.

以上説明した本実施形態によれば、極低負荷時のリーン燃焼が困難な領域においてはストイキ燃焼を行う。したがって、極低負荷時には、リーン燃焼による排気温度低下に起因する触媒性能の悪化を招かない。また、圧縮圧力を常に所定圧力以上に維持することにより、燃焼安定性を確保することができるので、極低負荷時のストイキ燃焼時に低負荷ほど吸気量が減少するように吸気弁閉時期IVCを進角させることが可能となる。すなわち、燃焼安定性を確保したうえで、ポンプ損失を低減したミラーサイクルを実現することができる。   According to the present embodiment described above, stoichiometric combustion is performed in a region where lean combustion at an extremely low load is difficult. Therefore, at an extremely low load, the catalyst performance is not deteriorated due to a decrease in exhaust temperature due to lean combustion. In addition, since the combustion stability can be ensured by maintaining the compression pressure at a predetermined pressure or higher at all times, the intake valve closing timing IVC is set so that the intake amount decreases as the load decreases at the time of stoichiometric combustion at an extremely low load. It is possible to advance. That is, it is possible to realize a mirror cycle with reduced pump loss while ensuring combustion stability.

(第四実施形態)
本実施形態は、上記各実施形態で説明したエンジン1の圧縮比および吸気弁閉時期の各制御を実施可能であるが、複リンク式圧縮比可変エンジン1のリンクのジオメトリ設定を変更した点で上記各実施形態異なる。以下その相違点について説明する。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, the control of the compression ratio of the engine 1 and the intake valve closing timing described in the above embodiments can be performed, but the link geometry setting of the multi-link compression ratio variable engine 1 is changed. The above embodiments are different. The differences will be described below.

図23は複リンク式圧縮比可変エンジンのコントロールシャフト付近の拡大図を示す図である。図23(A)は、上記各実施形態にかかるコントロールシャフト付近の拡大図を示す図であり、図23(B)は本実施形態にかかるコントロールシャフト付近の拡大図を示す図である。   FIG. 23 is an enlarged view of the vicinity of a control shaft of a multi-link compression ratio variable engine. FIG. 23A is an enlarged view of the vicinity of the control shaft according to each of the above embodiments, and FIG. 23B is an enlarged view of the vicinity of the control shaft according to the present embodiment.

また、図24は、本実施形態にかかるピストンストローク特性を示す図であり、図24(A)は図24(B)の四角で囲まれた実線部の拡大図である。   FIG. 24 is a diagram showing the piston stroke characteristics according to the present embodiment, and FIG. 24A is an enlarged view of a solid line portion surrounded by a square in FIG.

図23に示すように、本実施形態では、上記各実施形態と比べてコントロールシャフト14の制御方向及び大きさを変更してある。すなわち上記各実施形態ではコントロールシャフト14を右回転するほど高圧縮比にしていたが、本実施形態では左回転するほど高圧縮比になる。また本実施形態のほうがコントロールシャフト14の径が大きく、コントロールシャフト14の中心から小径部14bの軸心O7までの距離が長い。このような寸法にすることで、図24に示すように、ピストン挙動をより特徴的に、すなわち上死点付近での挙動を極端に設定することができ、ピストン上昇速度を下降速度よりも速くすることができる。すなわちL31<L32の度合が大きくなる。   As shown in FIG. 23, in the present embodiment, the control direction and size of the control shaft 14 are changed as compared with the above embodiments. That is, in each of the above-described embodiments, the compression ratio becomes higher as the control shaft 14 is rotated to the right. In the present embodiment, the diameter of the control shaft 14 is larger, and the distance from the center of the control shaft 14 to the axis O7 of the small diameter portion 14b is longer. With such dimensions, as shown in FIG. 24, the piston behavior can be set more characteristically, that is, the behavior near the top dead center can be set extremely, and the piston ascending speed can be made faster than the descending speed. can do. That is, the degree of L31 <L32 increases.

また左回転するほど高圧縮比になるようにしたことで、高圧縮比になるほうがピストン上昇が速くなる。すなわちL31<L41になる。また高圧縮比になるほうがピストン下降が遅くなる。すなわちL32>L42になる。   In addition, the higher the compression ratio is, the faster the piston rises. That is, L31 <L41. Moreover, piston lowering becomes slower as the compression ratio becomes higher. That is, L32> L42.

以上説明した本実施形態によれば、高圧縮比ではピストンの上昇速度が速く上死点に達するまでの期間が短い。そのためプレイグニッション(自己着火)を防止することができる。またピストンの下降が遅いのでピストンの上死点付近滞在時間が長く、燃焼安定性を確保できる。一方、低圧縮比ではピストンの下降速度が速いので、燃焼後期のノッキングを防止できる。   According to this embodiment described above, at a high compression ratio, the piston rises rapidly and the period until reaching the top dead center is short. Therefore, pre-ignition (self-ignition) can be prevented. Further, since the piston descends slowly, the stay time near the top dead center of the piston is long, and combustion stability can be secured. On the other hand, since the lowering speed of the piston is high at a low compression ratio, knocking at the late stage of combustion can be prevented.

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

例えば、上記実施形態では、希薄燃焼としてリーン燃焼を代表させて説明したが、EGR(排気ガスの還流)による希薄燃焼においても、目標圧縮圧力PcTargetに基づいて目標圧縮比εTargetを算出することは有効である。これにより大量のEGRを行った場合でも安定燃焼を実現できる。 For example, in the above embodiment, the lean combustion is representatively described as the lean combustion, but the target compression ratio ε Target is calculated based on the target compression pressure Pc Target even in the lean combustion by EGR (exhaust gas recirculation). Is valid. Thereby, stable combustion can be realized even when a large amount of EGR is performed.

複リンク式圧縮比可変エンジンを示す図である。It is a figure which shows a multiple link type compression ratio variable engine. 複リンク式圧縮比可変エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。It is a figure explaining the compression ratio change method by a multiple link type compression ratio variable engine. ピストンストローク特性を示す図である。It is a figure which shows a piston stroke characteristic. 吸気弁可変動弁機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an intake valve variable valve mechanism. リフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。It is a drive-axis direction view of a lift / operation angle variable mechanism. 吸気弁のリフト量と作動角との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the lift amount of an intake valve, and an operating angle. リフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。It is a drive-axis direction view of a lift / operation angle variable mechanism. 運転条件と吸気弁閉時期の制御を示す図である。It is a figure which shows control of an operating condition and an intake valve closing timing. 空気過剰率λとNOx排出量の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between excess air ratio (lambda) and NOx discharge | emission amount. 希薄空燃比限界の空気過剰率と圧縮圧力の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the excess air ratio of a lean air fuel ratio limit, and compression pressure. 第一実施形態にかかる複リンク式圧縮比可変エンジンの圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。It is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the multiple link type compression ratio variable engine according to the first embodiment. 本発明にかかる目標空気過剰率λTargetを設定するテーブルである。6 is a table for setting a target excess air ratio λ Target according to the present invention. 第一、第二実施形態にかかる目標圧縮圧力PcTargetを設定するテーブルである。It is a table which sets the target compression pressure Pc Target concerning 1st and 2nd embodiment. 本発明にかかる目標圧縮比εTargetを設定するマップである。6 is a map for setting a target compression ratio ε Target according to the present invention. 第一、第三実施形態にかかる目標吸気弁閉時期IVCTargetを設定するテーブルである。It is a table which sets the target intake valve closing timing IVC Target concerning 1st, 3rd embodiment. 第一実施形態にかかる負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を示す図である。It is a figure which shows each operation state of excess air ratio (lambda) with respect to the load concerning 1st embodiment, compression pressure Pc, compression ratio (epsilon), volumetric efficiency (eta) v, and intake valve closing timing IVC. 第二実施形態にかかる複リンク式圧縮比可変エンジンの圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。It is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the multi-link compression ratio variable engine according to the second embodiment. 第二実施形態にかかる目標吸気弁閉時期IVCTargetを設定するテーブルである。10 is a table for setting a target intake valve closing timing IVC Target according to the second embodiment. 第二実施形態にかかる負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を示す図である。It is a figure which shows each operation state of excess air ratio (lambda) with respect to the load concerning 2nd embodiment, compression pressure Pc, compression ratio (epsilon), volumetric efficiency (eta) v, and intake valve closing timing IVC. 第三実施形態にかかる複リンク式圧縮比可変エンジンの圧縮比および吸気弁閉時期の制御フローチャートである。It is a control flowchart of the compression ratio and intake valve closing timing of the multiple link type compression ratio variable engine according to the third embodiment. 第三実施形態にかかる目標圧縮圧力PcTargetを設定するテーブルである。It is a table which sets target compression pressure PcTarget concerning a third embodiment. 第三実施形態にかかる負荷に対する空気過剰率λ、圧縮圧力Pc、圧縮比ε、体積効率ηvおよび吸気弁閉時期IVCの各作動状態を示す図である。It is a figure which shows each operation state of the excess air ratio (lambda) with respect to the load concerning 3rd embodiment, compression pressure Pc, compression ratio (epsilon), volumetric efficiency (eta) v, and intake valve closing timing IVC. 複リンク式圧縮比可変エンジンのコントロールシャフト付近の拡大図を示す図である。It is a figure which shows the enlarged view of the control shaft vicinity of a multiple link type compression ratio variable engine. 第四実施形態にかかるピストンストローク特性を示す図である。It is a figure which shows the piston stroke characteristic concerning 4th embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 複リンク式圧縮比可変エンジン
3 クランクシャフト
7 ピストン
8 アッパリンク(第一リンク)
9 ロアリンク(第二リンク)
11 コントロールリンク(第三リンク)
13 ピストンピン
14 コントロールシャフト
14b 小径部(偏心軸部)
20 吸気弁可変動弁機構
101 燃焼室
111 吸気弁
1 Multi-link compression ratio variable engine 3 Crankshaft 7 Piston 8 Upper link (first link)
9 Lower link (second link)
11 Control link (third link)
13 piston pin 14 control shaft 14b small diameter part (eccentric shaft part)
20 Intake valve variable valve mechanism 101 Combustion chamber 111 Intake valve

Claims (14)

機関圧縮比を可変とする圧縮比可変機構と、少なくとも吸気弁閉時期を可変にして吸気量を制御する可変動弁機構と、を備えた内燃機関において、
機関燃焼室の圧縮圧力を検出する圧縮圧力検出手段と、
機関運転状態に基づいて希薄燃焼を行うか否かを判断する希薄燃焼判断手段と、
前記希薄燃焼を行う場合は、空気過剰率を、所定のリーン空気過剰率に設定する空気過剰率設定手段と、
同じく前記所定のリーン空気過剰率に設定した状態で、前記圧縮圧力が、負荷が変動しても常に所定圧力以上となるように、前記圧縮比および吸気弁閉時期を負荷に応じて制御する希薄燃焼制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。
In an internal combustion engine comprising a compression ratio variable mechanism that makes the engine compression ratio variable, and a variable valve mechanism that controls the intake air amount by varying at least the intake valve closing timing,
Compression pressure detection means for detecting the compression pressure of the engine combustion chamber;
Lean combustion determination means for determining whether to perform lean combustion based on the engine operating state;
When performing the lean combustion, the excess air ratio setting means for setting the excess air ratio to a predetermined lean excess air ratio; and
Similarly, the lean ratio that controls the compression ratio and the intake valve closing timing according to the load so that the compression pressure is always equal to or higher than the predetermined pressure even when the load fluctuates with the predetermined lean excess air ratio set. Combustion control means;
An internal combustion engine comprising:
前記圧縮圧力は、機関燃焼室の圧縮行程終了時の圧力である
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1, wherein the compression pressure is a pressure at the end of a compression stroke of the engine combustion chamber.
前記希薄燃焼判断手段は、エンジン負荷が低負荷運転領域ならば、希薄燃焼を行うこと許可し、
前記所定圧力は、同一回転速度における全負荷時での前記圧縮圧力よりも高い
ことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関。
The lean burn determining means permits lean burn if the engine load is in a low load operation region,
The internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the predetermined pressure is higher than the compression pressure at full load at the same rotational speed.
前記空気過剰率設定手段は、エンジン負荷が低負荷になるほど空気過剰率をリーンに設定する
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the excess air ratio setting means sets the excess air ratio to lean as the engine load becomes lower.
前記希薄燃焼制御手段は、エンジン負荷が低負荷になるほど、前記圧縮圧力が前記所定圧力よりさらに高くなるように圧縮比を高めると共に、吸気量が一定になるように吸気弁閉時期を制御する
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The lean combustion control means increases the compression ratio so that the compression pressure becomes higher than the predetermined pressure as the engine load becomes lower, and controls the intake valve closing timing so that the intake amount becomes constant. The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
前記希薄燃焼制御手段は、エンジン負荷が低負荷になるほど、吸気量が減少するように吸気弁閉時期を制御すると共に、前記圧縮圧力が前記所定圧力より低下しないように圧縮比を高める
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The lean combustion control means controls the intake valve closing timing so that the intake amount decreases as the engine load becomes lower, and increases the compression ratio so that the compression pressure does not fall below the predetermined pressure. An internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4.
前記希薄燃焼制御手段は、
エンジン負荷が極低負荷運転領域ならば、希薄燃焼を行うこと禁止してストイキ燃焼を行い、エンジン負荷が低負荷になるほど吸気量が減少するように吸気弁閉時期を制御すると共に、前記圧縮圧力が前記所定圧力よりさらに高くなるように圧縮比を制御する
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The lean combustion control means includes
If the engine load is in an extremely low load operation region, lean combustion is prohibited and stoichiometric combustion is performed, and the intake valve closing timing is controlled so that the intake amount decreases as the engine load becomes lower, and the compression pressure The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the compression ratio is controlled so that is higher than the predetermined pressure.
前記燃焼室内に流入する吸気流速を可変とする手段を備え、
前記希薄燃焼を行う場合は、それ以外の燃焼を行う場合に比較して前記燃焼室内に流入する吸気流速を速める
ことを特徴とする請求項1から7までのいずれか一つに記載の内燃機関。
Means for varying the flow velocity of the intake air flowing into the combustion chamber;
8. The internal combustion engine according to claim 1, wherein when the lean combustion is performed, an intake air flow rate flowing into the combustion chamber is increased as compared with a case where other combustion is performed. .
前記希薄燃焼は、空気過剰率が略2以上のリーン燃焼である
ことを特徴とする請求項1から8までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the lean combustion is lean combustion with an excess air ratio of approximately 2 or more.
少なくとも、大気圧および吸気管圧力のいずれかを検出する圧力検出手段を備え、
前記希薄燃焼手段は、前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づいて、制御目標となる圧縮比の値を補正する
ことを特徴とする請求項1から9までのいずれか一つに記載の内燃機関。
At least pressure detecting means for detecting either atmospheric pressure or intake pipe pressure;
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 9, wherein the lean combustion means corrects a compression ratio value as a control target based on the pressure detected by the pressure detection means. .
前記希薄燃焼は、混合気に排ガスを導入するEGRによる希薄燃焼である
ことを特徴とする請求項1から10までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10, wherein the lean combustion is lean combustion by EGR that introduces exhaust gas into an air-fuel mixture.
前記圧縮比可変機構は、
一端がピストンにピストンピンを介して連結される第一リンクと、
一端が前記第一リンクの他端に連結されるとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第二リンクと、
一端が前記第二リンクの他端に連結される第三リンクと、
回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第三リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、を備え、
前記機関運転状態に基づいて、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで、前記ピストンの上死点位置を変更して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項1から11までのいずれか一つに記載の内燃機関。
The compression ratio variable mechanism is
A first link having one end coupled to the piston via a piston pin;
A second link connected at one end to the other end of the first link and rotatably mounted on the crankshaft;
A third link having one end connected to the other end of the second link;
A control shaft that has an eccentric shaft portion that is eccentric with respect to the rotation center shaft, and that freely connects the other end of the third link to the eccentric shaft portion;
Based on the engine operating state, by rotating the control shaft and moving the eccentric shaft portion up and down, the top dead center position of the piston is changed to change the compression ratio,
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 11, characterized in that
前記ピストンのストローク特性を、高圧縮比ほど上死点付近滞在期間が長くなるように、前記第一リンク、第二リンクおよび第三リンクのリンク構成を設定する
ことを特徴とする請求項12に記載の内燃機関。
13. The link configuration of the first link, the second link, and the third link is set so that the staying period near the top dead center becomes longer as the compression ratio becomes higher in the stroke characteristics of the piston. The internal combustion engine described.
前記ピストンのストローク特性を、所定距離を移動して上死点に達する時間に対して、上死点から所定距離を移動する時間を長くして、高圧縮比ほど上死点付近滞在期間が長くなるように、前記第一リンク、第二リンクおよび第三リンクのリンク構成を設定する
ことを特徴とする請求項12に記載の内燃機関。
The stroke characteristic of the piston is such that the time for moving the predetermined distance from the top dead center is increased with respect to the time for moving the predetermined distance to reach the top dead center. The internal combustion engine according to claim 12, wherein link configurations of the first link, the second link, and the third link are set.
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