JP2007239602A - Variable compression ratio engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、可変圧縮比エンジンに関する。 The present invention relates to a variable compression ratio engine.
エンジンは、空燃比がリーンである方が燃料消費量が少なく燃費が向上する。ところが空燃比がストイキ(空燃比15程度)よりもややリーンの状態(空燃比16〜17程度)では窒素酸化物(NOx)の排出量が非常に多くなる。空燃比がさらにリーンの状態では、空燃比が16程度のときよりはNOxの排出量が減少するものの、それでも依然としてNOxの排出量が多い。また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って運転できない。そこで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。そして、排出される多量のNOxについては触媒で浄化する必要があり、このために使用するNOx浄化触媒(例えばNOxを一旦トラップしてからNOxを浄化するNOxトラップ触媒など)は高価である。またNOxを還元するために燃料又は過濃燃焼ガスを必要とするので燃費低減効果が少ない。 When the air-fuel ratio is lean, the engine consumes less fuel and improves fuel efficiency. However, when the air-fuel ratio is slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (about 15) (air-fuel ratio 16-17), the amount of nitrogen oxide (NOx) discharged becomes very large. When the air-fuel ratio is further lean, the amount of NOx emission is reduced compared to when the air-fuel ratio is about 16, but the amount of NOx emission is still large. Further, the engine cannot be operated because the in-cylinder combustion becomes unstable because the amount of fuel contained in the air-fuel mixture is too small beyond the lean air-fuel ratio limit. Therefore, in the conventional so-called lean burn engine, in-cylinder combustion does not become unstable, and in order to improve fuel efficiency, the air-fuel ratio is made lean within a range that does not exceed the lean air-fuel ratio limit. A large amount of exhausted NOx needs to be purified by a catalyst, and a NOx purification catalyst used for this purpose (for example, a NOx trap catalyst that traps NOx and then purifies NOx) is expensive. Further, since fuel or rich combustion gas is required to reduce NOx, the fuel consumption reduction effect is small.
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。すなわち圧縮比が高ければ点火時の燃焼室内容積が小さいので、少ない燃料でも着火しやすくなる。そのため空燃比が、よりリーンな範囲でも安定して筒内燃焼するのである。 By the way, it is known that the compression ratio should be increased to expand the lean air-fuel ratio limit. That is, if the compression ratio is high, the combustion chamber volume at the time of ignition is small, so that it is easy to ignite even with a small amount of fuel. Therefore, in-cylinder combustion is stably performed even when the air-fuel ratio is in a leaner range.
そこで特許文献1に記載されたエンジンは、シリンダヘッドに設けた可変容積用ピストンによって燃焼室容積を変化させることで圧縮比を可変にし、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。
しかし、前述した従来の可変圧縮比エンジンは、確かに圧縮比を高くすることで希薄燃焼安定限界を拡大でき、空燃比をよりリーンにすることができ、NOxを減少できる。ところがこのようなエンジンでは、空燃比をせいぜい24〜25程度にすることが限界であり、NOxトラップ触媒などを完全に廃止することができるまでNOxを減少することはできない。 However, the above-described conventional variable compression ratio engine can certainly increase the lean combustion stability limit by increasing the compression ratio, make the air-fuel ratio leaner, and reduce NOx. However, in such an engine, the limit is that the air-fuel ratio is at most about 24 to 25, and NOx cannot be reduced until the NOx trap catalyst or the like can be completely abolished.
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、NOxトラップ触媒等のNOx浄化装置が不要なほどNOxの排出量が少ない超希薄燃焼を可能とする可変圧縮比エンジンを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and a variable compression ratio engine that enables ultra lean combustion with a small amount of NOx emission so that a NOx purifying device such as a NOx trap catalyst is unnecessary. The purpose is to provide.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、運転状態を検出する運転状態検出手段(ステップS1)と、混合気の空燃比を調節する空燃比制御手段(70)と、燃焼室(30)の圧縮比を変更する圧縮比変更手段(51〜53)と、吸気ポートに噴射される燃料の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段(70)と、前記運転状態が所定負荷よりも低い低負荷域であるとき、負荷に応じて燃焼室の圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、その拡大した希薄空燃比限界付近まで前記空燃比を希薄化し、燃料噴射時期を変化させられる運転状態制御手段(70)とを備えることを特徴とする。 The present invention includes an operating state detecting means (step S1) for detecting an operating state, an air / fuel ratio control means (70) for adjusting the air / fuel ratio of the air / fuel mixture, and a compression ratio change for changing the compression ratio of the combustion chamber (30). Means (51-53), fuel injection control means (70) for controlling the fuel injection timing of the fuel injected into the intake port, and when the operating state is a low load region lower than a predetermined load, depending on the load And an operating state control means (70) for increasing the compression ratio of the combustion chamber to expand the lean air-fuel ratio limit, diluting the air-fuel ratio to near the expanded lean air-fuel ratio limit, and changing the fuel injection timing. It is characterized by that.
本発明によれば、低負荷域において圧縮比を高圧縮化することによって希薄空燃比限界を拡大し、希薄混合気の燃焼を安定させることができる。このとき、吸気弁が開弁しているときに燃料噴射が行なわれるように燃料噴射時期を遅らせることによって、噴射燃料が吸気ポート付近で滞留して均質化することを防ぐことができる。これにより、噴射燃料は濃度の濃い部分が維持されたまま点火プラグ付近まで送り込まれ、希薄混合気の燃焼をさらに安定させることができる。このようにして、低負荷域においてNOxをほとんど発生させない超希薄燃焼を実現することができる。 According to the present invention, by increasing the compression ratio in the low load region, the lean air-fuel ratio limit can be expanded and the combustion of the lean air-fuel mixture can be stabilized. At this time, by delaying the fuel injection timing so that fuel injection is performed when the intake valve is open, it is possible to prevent the injected fuel from staying in the vicinity of the intake port and being homogenized. As a result, the injected fuel is fed to the vicinity of the spark plug while maintaining the dense portion, and the combustion of the lean air-fuel mixture can be further stabilized. In this way, it is possible to realize ultra lean combustion that hardly generates NOx in the low load region.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による可変圧縮比エンジンの第1実施形態を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a variable compression ratio engine according to the present invention.
本件発明者らは、従来より、図1に示すようなピストンとクランクシャフトとを2つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比エンジン(以下「複リンク式可変圧縮比エンジン」という)について鋭意研究を重ねている。この複リンク式可変圧縮比エンジンは、ピストンとクランクシャフトとを1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(詳細は例えば特開2002-285857号公報)。 The inventors of the present invention have been diligently involved in a variable compression ratio engine (hereinafter referred to as a “multi-link variable compression ratio engine”) using a multi-link mechanism that connects a piston and a crankshaft by two links as shown in FIG. Research is repeated. In this multi-link variable compression ratio engine, the piston and crankshaft are connected by a single link (connecting rod), and the piston is higher than a normal engine (hereinafter referred to as “normal engine”) with a constant compression ratio. There is a characteristic that the period of staying in the vicinity of the dead center is long (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-285857 for details).
そして発明者らのさらなる研究によって、この特性を利用すれば、複リンク式可変圧縮比エンジンの希薄燃焼安定限界を拡大でき、NOx排出量をほとんど無くすことができるということが知見された。 Further research by the inventors has revealed that if this characteristic is utilized, the lean combustion stability limit of a multi-link variable compression ratio engine can be expanded, and NOx emissions can be almost eliminated.
本発明は、発明者らのそのような知見に基づいてなされたものである。 The present invention has been made based on such findings of the inventors.
まず最初に複リンク式可変圧縮比エンジンについて説明する。図1は、本実施形態で採用する複リンク式可変圧縮比エンジンを示す図である。 First, a multi-link variable compression ratio engine will be described. FIG. 1 is a diagram showing a multi-link variable compression ratio engine employed in the present embodiment.
図1に示すように、エンジン10は内部に燃焼室30を有する。エンジン10は、外気を燃焼室30に導く吸気ポート56と、燃焼後の排気を排出する排気ポート62とを備える。 As shown in FIG. 1, the engine 10 has a combustion chamber 30 inside. The engine 10 includes an intake port 56 that guides outside air to the combustion chamber 30 and an exhaust port 62 that discharges exhaust gas after combustion.
燃焼室30と吸気ポート56との間には吸気弁55を備える。吸気弁55は、吸気ポート56と燃焼室30との間を開閉して燃焼室30への吸気量を調節する。また、吸気ポート56は燃料噴射弁41を備える。燃料噴射弁41は、図示しない燃料タンクと連結して燃焼室30に燃料を供給する。燃料噴射弁41は、燃料を霧状に噴射して外気と混ぜ合わせて混合気を生成する。燃焼室30に供給された混合気は点火プラグ42によって点火される。 An intake valve 55 is provided between the combustion chamber 30 and the intake port 56. The intake valve 55 adjusts the amount of intake air to the combustion chamber 30 by opening and closing between the intake port 56 and the combustion chamber 30. Further, the intake port 56 includes a fuel injection valve 41. The fuel injection valve 41 is connected to a fuel tank (not shown) and supplies fuel to the combustion chamber 30. The fuel injection valve 41 injects fuel in the form of a mist and mixes it with outside air to generate an air-fuel mixture. The air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 30 is ignited by a spark plug 42.
また、燃焼室30と排気ポート62との間には排気弁61を備える。排気弁61は、排気ポート62と燃焼室30との間を開閉して排ガスを排出する。排気弁61は後述するように開閉タイミングの変更が可能である。本実施形態では、排気弁61の開閉タイミングを制御することによってEGR量を調整することができる。 An exhaust valve 61 is provided between the combustion chamber 30 and the exhaust port 62. The exhaust valve 61 opens and closes between the exhaust port 62 and the combustion chamber 30 to discharge exhaust gas. As will be described later, the opening / closing timing of the exhaust valve 61 can be changed. In the present embodiment, the EGR amount can be adjusted by controlling the opening / closing timing of the exhaust valve 61.
複リンク式可変圧縮比エンジン10は、ピストン32とクランクシャフト33とを2つのリンク(アッパリンク(第1リンク)11、ロアリンク(第2リンク)12)で連結するとともに、コントロールリンク(第3リンク)13でロアリンク12の姿勢を制御して機関圧縮比を変更する。 The multi-link variable compression ratio engine 10 connects the piston 32 and the crankshaft 33 with two links (an upper link (first link) 11 and a lower link (second link) 12) and a control link (third The link) 13 controls the posture of the lower link 12 to change the engine compression ratio.
アッパリンク11は、上端をピストンピン21を介してピストン32に連結し、下端を連結ピン22を介してロアリンク12の一端に連結する。ピストン32は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック31のシリンダ31a内を往復動する。 The upper link 11 has an upper end connected to the piston 32 via the piston pin 21 and a lower end connected to one end of the lower link 12 via the connection pin 22. The piston 32 receives the combustion pressure and reciprocates in the cylinder 31 a of the cylinder block 31.
ロアリンク12は、一端を連結ピン22を介してアッパリンク11に連結し、他端を連結ピン23を介してコントロールリンク13に連結する。また、ロアリンク12は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト33のクランクピン33bを挿入し、クランクピン33bを中心軸として回転する。ロアリンク12は左右の2部材に分割可能に構成される。クランクシャフト33は、複数のジャーナル33aとクランクピン33bとを備える。ジャーナル33aは、シリンダブロック31及びラダーフレーム34によって回転自在に支持される。クランクピン33bは、ジャーナル33aから所定量偏心しており、ここにロアリンク12が回転自在に連結する。 One end of the lower link 12 is connected to the upper link 11 via a connecting pin 22, and the other end is connected to the control link 13 via a connecting pin 23. Further, the lower link 12 is inserted into the substantially central connecting hole with the crankpin 33b of the crankshaft 33, and rotates around the crankpin 33b. The lower link 12 is configured to be split into two left and right members. The crankshaft 33 includes a plurality of journals 33a and a crankpin 33b. The journal 33 a is rotatably supported by the cylinder block 31 and the ladder frame 34. The crank pin 33b is eccentric by a predetermined amount from the journal 33a, and the lower link 12 is rotatably connected thereto.
コントロールリンク13は、先端に連結ピン23を挿入し、ロアリンク12に回動可能に連結する。またコントロールリンク13は、他端を偏心連結ピン24を介してコントロールシャフト25に連結する。コントロールリンク13は、この偏心連結ピン24を中心として揺動する。またコントロールシャフト25にはギヤが形成されており、そのギヤがアクチュエータ51の回転軸52に設けられたピニオン53に噛合する。アクチュエータ51によってコントロールシャフト25が回転させられ、偏心連結ピン24が移動する。 The control link 13 has a connecting pin 23 inserted at the tip thereof and is connected to the lower link 12 so as to be rotatable. The other end of the control link 13 is connected to the control shaft 25 via an eccentric connecting pin 24. The control link 13 swings about the eccentric connecting pin 24. A gear is formed on the control shaft 25, and the gear meshes with a pinion 53 provided on the rotating shaft 52 of the actuator 51. The control shaft 25 is rotated by the actuator 51, and the eccentric connecting pin 24 moves.
これら各機構の制御は、運転状態に応じてコントローラ70によって行なわれる。コントローラ70は中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。 Control of these mechanisms is performed by the controller 70 in accordance with the operating state. The controller 70 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
コントローラ70は、アクチュエータ51を制御してコントロールシャフト25を回転させて圧縮比を変更する。また、コントローラ70は吸気ポート56に設けられた燃料噴射弁41の燃料の噴射量や噴射時期を制御する。さらに、コントローラ70はシリンダヘッドに設けられた点火プラグ42の点火タイミングを制御する。また、コントローラ70は排気弁61の開閉タイミングを制御してEGR量を調整する。 The controller 70 controls the actuator 51 to rotate the control shaft 25 to change the compression ratio. The controller 70 controls the fuel injection amount and injection timing of the fuel injection valve 41 provided in the intake port 56. Further, the controller 70 controls the ignition timing of the ignition plug 42 provided in the cylinder head. Further, the controller 70 controls the opening / closing timing of the exhaust valve 61 to adjust the EGR amount.
次に、本実施形態における燃料噴射制御について説明する。燃料噴射量の制御は燃料噴射弁41への通電時間を制御することによって行われる。したがって、通電時間を長くすると燃料噴射量が増量される。コントローラ70は各種センサから取得した情報をもとに運転状態を導出し、必要な燃料噴射量を算出する。コントローラ70は燃料噴射弁41をこの燃料量を噴射するのに必要な時間だけ通電する。 Next, fuel injection control in the present embodiment will be described. The fuel injection amount is controlled by controlling the energization time to the fuel injection valve 41. Therefore, if the energization time is lengthened, the fuel injection amount is increased. The controller 70 derives an operation state based on information acquired from various sensors, and calculates a necessary fuel injection amount. The controller 70 energizes the fuel injection valve 41 for a time necessary to inject this amount of fuel.
本実施形態では、燃料噴射のタイミングを制御して混合気に濃い部分と薄い部分を生成する。そして混合気の濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶように燃料を噴射することによって、濃度が均質な場合よりも大きな燃焼エネルギーを作り出して燃焼性を向上させる。図2は、燃料噴射のタイミングを制御して混合気に濃い部分と薄い部分を生成する仕組みを示す図であり、図2(A)(B)は通常の燃料噴射制御、図2(C)(D)は混合気に濃い部分と薄い部分を生成する燃料噴射制御を示す。また、図2(A)(C)は燃料噴射弁41への通電、図2(B)(D)は噴射された燃料の濃度分布を示している。 In the present embodiment, the timing of fuel injection is controlled to generate a dark portion and a thin portion in the air-fuel mixture. Then, by injecting the fuel so that the rich and thin portions of the air-fuel mixture are alternately arranged, combustion energy is generated larger than that in the case where the concentration is uniform, and the combustibility is improved. FIG. 2 is a diagram showing a mechanism for controlling the fuel injection timing to generate a rich portion and a thin portion in the air-fuel mixture. FIGS. 2 (A) and 2 (B) show normal fuel injection control, and FIG. 2 (C). (D) shows fuel injection control for generating a dark portion and a thin portion in the air-fuel mixture. 2A and 2C show the energization of the fuel injection valve 41, and FIGS. 2B and 2D show the concentration distribution of the injected fuel.
通常の燃料噴射は、図2(A)に示すように燃料噴射弁41に対して一定時間連続的に通電する。こうすることで燃料噴射弁41の噴射口が一定時間開口し、所定量の燃料が噴射される。したがって、図2(B)に示すように比較的均質な混合気が生成される。 In normal fuel injection, the fuel injection valve 41 is energized continuously for a certain period of time as shown in FIG. By doing so, the injection port of the fuel injection valve 41 is opened for a certain time, and a predetermined amount of fuel is injected. Accordingly, a relatively homogeneous air-fuel mixture is generated as shown in FIG.
一方、本実施形態では図2(C)に示すように燃料噴射弁41への通電を断続的に行なう。このように燃料の噴射と停止を断続的に繰り返すことで、図2(D)に示すような濃い部分と薄い部分とが適当な間隔で並ぶ混合気を生成することができる。 On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 2C, the fuel injection valve 41 is intermittently energized. As described above, by intermittently repeating the fuel injection and stop, it is possible to generate an air-fuel mixture in which a dark portion and a thin portion as shown in FIG.
図2(D)に示すような濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶ混合気の燃焼過程について説明する。混合気の濃い部分に対して点火すると、比較的大きな燃焼エネルギーを得ることができる。この濃い部分の燃焼によって薄い部分の混合気に対しても確実に火炎を伝播させることができる。そしてこの燃焼火炎を混合気の濃い部分まで伝播させ、再び大きな燃焼エネルギーを得る。本実施形態では、このような燃焼を繰り返して燃焼火炎を成長させる。こうして少ない燃料噴射量であっても混合気に濃い部分を作り出すことによって、均質な濃度で燃焼させるよりも大きな燃焼エネルギーを発生させて燃焼性を向上させることができる。 A combustion process of an air-fuel mixture in which dark portions and thin portions are alternately arranged as shown in FIG. When ignition is performed on a portion where the air-fuel mixture is rich, relatively large combustion energy can be obtained. The combustion of the dense part can surely propagate the flame even to the air-fuel mixture in the thin part. And this combustion flame is propagated to the rich part of the air-fuel mixture, and a large combustion energy is obtained again. In the present embodiment, the combustion flame is grown by repeating such combustion. In this way, even if the amount of fuel injection is small, by producing a rich portion in the air-fuel mixture, combustion energy can be generated and combustion can be improved compared to combustion at a uniform concentration.
なお、このような図2(C)に示す制御は比較的負荷の低い運転領域で行なわれ、一定以上のトルク出力が要求される中高負荷域では図2(A)に示すような通常の燃料噴射制御が行なわれる。 The control shown in FIG. 2C is performed in an operation region where the load is relatively low, and a normal fuel as shown in FIG. 2A is used in a medium and high load region where a torque output exceeding a certain level is required. Injection control is performed.
本実施形態では、低負荷域において吸気弁55が開いている間に燃料噴射が行なわれるように燃料噴射時期(燃料噴射の終了タイミング)を遅らせる。また、通常の制御では吸気弁55が開弁する前に燃料噴射を完了させる。このため、生成された混合気は吸気ポート56付近でいったん滞留してから燃焼室30に吸気される。したがって、通常のタイミングで燃料噴射を行なった場合には、前述のように濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶように混合気を生成しても燃焼室に吸気される前に撹拌されてしまう可能性が高い。そこで、本実施形態では吸気弁55が開いているときに燃料を噴射することによって、生成された混合気が撹拌されることなく燃焼室30に送り込むことができる。 In the present embodiment, the fuel injection timing (end timing of fuel injection) is delayed so that fuel injection is performed while the intake valve 55 is open in the low load region. Further, in normal control, fuel injection is completed before the intake valve 55 is opened. For this reason, the generated air-fuel mixture once stays in the vicinity of the intake port 56 and then is sucked into the combustion chamber 30. Therefore, when fuel injection is performed at a normal timing, even if the air-fuel mixture is generated so that the thick portions and the thin portions are alternately arranged as described above, the fuel is stirred before being taken into the combustion chamber. Probability is high. Therefore, in the present embodiment, by injecting fuel when the intake valve 55 is open, the generated air-fuel mixture can be fed into the combustion chamber 30 without being stirred.
図3は排気弁61の開閉タイミング調整機構を説明する図であり、図3(A)は開弁時の状態、図3(B)は閉弁時の状態を表す。本実施形態では、排気の完了前に排気弁61を閉じることで排ガスを燃焼室内に残留させ、この排ガスによってEGR効果を得る。したがって、EGR量を制御するためには排気弁61をクランクシャフトの回転と独立して開閉する機構を必要とする。 3A and 3B are diagrams for explaining an opening / closing timing adjustment mechanism of the exhaust valve 61. FIG. 3A shows a state when the valve is opened, and FIG. 3B shows a state when the valve is closed. In the present embodiment, exhaust gas is left in the combustion chamber by closing the exhaust valve 61 before exhaust is completed, and the EGR effect is obtained by this exhaust gas. Therefore, in order to control the EGR amount, a mechanism for opening and closing the exhaust valve 61 independently of the rotation of the crankshaft is required.
このような排気弁61の開閉タイミングを調整する機構としては、例えば特開2004-346825号公報のように開閉リフト量と開閉タイミングを変更するものや、特開2000-45733号公報のように電磁駆動機構によって開閉タイミングを変更可能なものがある。ここでは電磁駆動機構によるものを簡単に説明する。 As a mechanism for adjusting the opening / closing timing of the exhaust valve 61, for example, a mechanism for changing the opening / closing lift amount and the opening / closing timing as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346825, and a mechanism for adjusting the opening / closing timing of the exhaust valve 61 are disclosed. There is a drive mechanism that can change the opening and closing timing. Here, what is based on an electromagnetic drive mechanism is demonstrated easily.
排気弁61は、バルブシート63に着座又は離座することによって排気ポート62を開閉する。排気弁61のバルブステム64には、可動子65が固着されている。可動子65は上側スプリング66及び下側スプリング67と連結する。上側スプリング66は図上方に下側スプリング67は図下方に可動子65を付勢し、軸方向に弾性的に支持する。上側スプリング66及び下側スプリング67は、バルブステム64を遊挿する。 The exhaust valve 61 opens and closes the exhaust port 62 by being seated on or separated from the valve seat 63. A mover 65 is fixed to the valve stem 64 of the exhaust valve 61. The mover 65 is connected to the upper spring 66 and the lower spring 67. The upper spring 66 biases the mover 65 downward in the figure and the lower spring 67 biases the mover 65 downward in the figure to elastically support it in the axial direction. The upper spring 66 and the lower spring 67 loosely insert the valve stem 64.
可動子65の上下には開弁用電磁コイル68と閉弁用電磁コイル69とが備えられている。可動子65は磁性材料で形成されており、これらの電磁コイルの一方を通電すると、発生した磁力によって可動子65が電磁コイルに引き寄せられる。また、開弁用電磁コイル68は下側スプリング67を、閉弁用電磁コイル69は上側スプリング66を遊挿している。 Above and below the mover 65, a valve opening electromagnetic coil 68 and a valve closing electromagnetic coil 69 are provided. The mover 65 is made of a magnetic material. When one of these electromagnetic coils is energized, the mover 65 is attracted to the electromagnetic coil by the generated magnetic force. The valve opening electromagnetic coil 68 has the lower spring 67 inserted therein, and the valve closing electromagnetic coil 69 has the upper spring 66 inserted therein.
次に、排気弁61の開閉動作について説明する。開弁用電磁コイル68及び閉弁用電磁コイル69への電力供給がともに遮断されている状態では、上側スプリング66及び下側スプリング67の弾性力によって、可動子65は電磁コイル68,69の中間に位置する。開弁用電磁コイル68に通電すると、図3(A)に示すように可動子65は開弁用電磁コイル68に引き寄せられて矢印Cの方向に移動し、排気ポート62を開弁する。一方、閉弁用電磁コイル69に通電すると、図3(B)のように可動子65は閉弁用電磁コイル69に引き寄せられて矢印Dの方向に移動し、排気ポート62を閉弁する。 Next, the opening / closing operation of the exhaust valve 61 will be described. In a state where power supply to both the valve opening electromagnetic coil 68 and the valve closing electromagnetic coil 69 is interrupted, the mover 65 is placed between the electromagnetic coils 68 and 69 by the elastic force of the upper spring 66 and the lower spring 67. Located in. When the valve opening electromagnetic coil 68 is energized, as shown in FIG. 3A, the mover 65 is attracted to the valve opening electromagnetic coil 68 and moves in the direction of arrow C to open the exhaust port 62. On the other hand, when the valve closing electromagnetic coil 69 is energized, the mover 65 is attracted to the valve closing electromagnetic coil 69 and moves in the direction of arrow D as shown in FIG. 3B, thereby closing the exhaust port 62.
このように電磁コイル68,69の通電を切替えることによって、排気弁61をクランクシャフトの回転と独立して開閉させることができる。 By switching the energization of the electromagnetic coils 68 and 69 in this way, the exhaust valve 61 can be opened and closed independently of the rotation of the crankshaft.
図4は複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining a compression ratio changing method by a multi-link variable compression ratio engine.
コントロールシャフト25を回転して、偏心連結ピン24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4(A)、図4(C)に示すように偏心連結ピン24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。 By rotating the control shaft 25 and changing the position of the eccentric connecting pin 24, the engine compression ratio is changed. For example, as shown in FIGS. 4 (A) and 4 (C), when the eccentric connecting pin 24 is set to the position A, the top dead center position becomes high and the compression ratio becomes high.
そして図4(B)、図4(C)に示すように、偏心連結ピン24を位置Bにすれば、コントロールリンク13が上方へ押し上げられ、連結ピン23の位置が上がる。これによりロアリンク12はクランクピン33bを中心として反時計方向に回転し、連結ピン22が下がり、ピストン上死点(TDC)におけるピストン32の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。 Then, as shown in FIGS. 4B and 4C, when the eccentric connecting pin 24 is set to the position B, the control link 13 is pushed upward, and the position of the connecting pin 23 is raised. As a result, the lower link 12 rotates counterclockwise about the crank pin 33b, the connecting pin 22 is lowered, and the position of the piston 32 at the piston top dead center (TDC) is lowered. Therefore, the compression ratio becomes a low compression ratio.
図5は、ピストン挙動を示す図であり、図5(A)は図5(B)の点線部の拡大図である。 FIG. 5 is a diagram showing the piston behavior, and FIG. 5 (A) is an enlarged view of a dotted line part of FIG. 5 (B).
上述したように、複リンク式可変圧縮比エンジンは、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。この点を図5を参照して説明する。図5には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動が細実線で示されている。この図より、複リンク式可変圧縮比エンジンは、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。 As described above, the multi-link variable compression ratio engine has a longer period in which the piston stays near the top dead center than the normal engine having the same compression ratio. This point will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the piston behavior of a multi-link variable compression ratio engine having the same compression ratio as that of the normal engine is shown by a thin solid line. From this figure, it can be seen that the multi-link variable compression ratio engine has a longer period during 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の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、複リンク式可変圧縮比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5(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, the direction when the piston is near the top dead center when the compression ratio of the multi-link variable compression ratio engine is high. However, the staying period near the top dead center of the piston is longer than when it is near the top dead center when the compression ratio is low. That is, in FIG. 5B, L1> L2.
このように複リンク式可変圧縮比エンジンは、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ーを得ることができるので燃焼性が安定する。また、ピストンのストローク特性を単振動に近い特性にすれば、エンジン全体の振動を小さくすることができる。 Thus, the multi-link variable compression ratio 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. If the high compression state is maintained for a long time, relatively high combustion energy can be obtained even in the case of ultra lean combustion, so that the combustibility is stabilized. Moreover, if the stroke characteristics of the piston are made similar to simple vibrations, the vibration of the entire engine can be reduced.
複リンク式可変圧縮比エンジンはこのような特性を有することから、図6の特性を有する。図6(A)は、空燃比と燃焼安定度との関係を示す図である。図中の細線はノーマルエンジン、太線は複リンク式可変圧縮比エンジンである。 Since the multi-link variable compression ratio engine has such characteristics, it has the characteristics shown in FIG. FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the combustion stability. The thin line in the figure is a normal engine, and the thick line is a multi-link variable compression ratio engine.
この図を見て分かるように、ノーマルエンジン(圧縮比8〜12程度)において燃焼安定性を確保できる空燃比は22程度である。 As can be seen from this figure, the air-fuel ratio that can ensure combustion stability in a normal engine (compression ratio of about 8 to 12) is about 22.
一方、複リンク式可変圧縮比エンジンによれば、ピストンの上死点付近滞在時間が長いために圧縮比が高い状態が長くなり、燃焼安定限界が損なわれにくい。そして圧縮比を高くすることで(例えば圧縮比18程度)、空燃比A/Fが30程度まで安定した燃焼をすることができる。 On the other hand, according to the multi-link variable compression ratio engine, since the stay time near the top dead center of the piston is long, the state where the compression ratio is high becomes long, and the combustion stability limit is not easily lost. Further, by increasing the compression ratio (for example, about compression ratio 18), stable combustion can be performed up to an air-fuel ratio A / F of about 30.
図6(B)は、複リンク式可変圧縮比エンジンにおける空燃比と排出NOx量との関係を示す図である。図中の太線は高圧縮比の場合、細線は低圧縮比の場合である。 FIG. 6B is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the amount of exhausted NOx in a multi-link variable compression ratio engine. The thick line in the figure is for a high compression ratio, and the thin line is for a low compression ratio.
この図より、圧縮比が低い方が排出されるNOx量が少ないものの、空燃比を略30以上にしてしまうと、圧縮比にかかわらず、ほとんどNOxが排出されないことが分かる。 From this figure, it can be seen that although the amount of NOx discharged is lower when the compression ratio is lower, if the air-fuel ratio is increased to about 30 or more, almost no NOx is discharged regardless of the compression ratio.
以上のことから、これらの特性を利用して本発明では圧縮比、空燃比及び点火エネルギーを以下のように制御するようにした。これらの制御はコントローラ70によって実行される。 From the above, using these characteristics, the present invention controls the compression ratio, air-fuel ratio, and ignition energy as follows. These controls are executed by the controller 70.
図7は、コントローラ70によって実行される本発明による制御ロジックのメインフローチャートである。 FIG. 7 is a main flowchart of the control logic executed by the controller 70 according to the present invention.
ステップS1では、各種センサが検出した情報に基づいて現在走行中の運転状態を取得する。具体的には空気吸入量や燃料噴射量などに基づいて、現在の運転負荷領域が低負荷域、中負荷域若しくは高負荷域に属しているかを判断する。 In step S1, the current driving state is acquired based on information detected by various sensors. Specifically, it is determined whether the current operation load region belongs to a low load region, a medium load region, or a high load region based on an air intake amount, a fuel injection amount, or the like.
ステップS2では、ステップS1で取得した運転負荷領域が低負荷域に属するか否かを判定する。運転状態が低負荷域に属する場合にはステップS3に処理を移し、属さない場合にはステップS4に処理を移す。 In step S2, it is determined whether or not the driving load region acquired in step S1 belongs to a low load region. If the operating state belongs to the low load range, the process proceeds to step S3, and if not, the process proceeds to step S4.
ステップS3では、低負荷運転制御を行う。低負荷運転制御では超希薄燃焼を行ない、NOxをほとんど排出させないようにする。具体的な処理については後述する。 In step S3, low load operation control is performed. In the low load operation control, ultra lean combustion is performed so that almost no NOx is discharged. Specific processing will be described later.
ステップS4では、運転負荷領域が中負荷域に属するか否かを判定する。中負荷域に属する場合にはステップS5に処理を移して中負荷運転制御を行い、中負荷域に属さない場合にはステップS6に処理を移して高負荷運転制御を行う。 In step S4, it is determined whether or not the operation load region belongs to the medium load region. If it belongs to the middle load region, the process is shifted to step S5 to perform middle load operation control, and if it does not belong to the middle load region, the process is shifted to step S6 to perform high load operation control.
図8は低負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。低負荷運転制御では空燃比A/Fが30以上の超希薄燃焼を行ってNOxの排出量を略ゼロにする。超希薄燃焼を安定して行なうために、圧縮比の高圧縮比化などの制御を行う。 FIG. 8 is a flowchart showing a subroutine for low load operation control. In the low load operation control, super lean combustion with an air-fuel ratio A / F of 30 or more is performed to reduce the NOx emission amount to substantially zero. In order to perform ultra-lean combustion stably, control such as a high compression ratio is performed.
ステップS31では、負荷に応じた空燃比A/Fを設定する。このとき、空燃比A/FはNOxをほとんど発生させない30以上の値が設定される。 In step S31, an air-fuel ratio A / F corresponding to the load is set. At this time, the air-fuel ratio A / F is set to a value of 30 or more that hardly generates NOx.
ステップS32では、負荷に応じた圧縮比εを設定する。このとき、圧縮比εは超希薄燃焼であっても安定した燃焼が可能なε1以上の値に設定される。 In step S32, a compression ratio ε corresponding to the load is set. At this time, the compression ratio ε is set to a value equal to or greater than ε1 that enables stable combustion even with ultra lean combustion.
ステップS33では、燃料噴射の終了タイミングを吸気弁55が開いている時期まで遅らせる。また、燃料噴射時期は負荷が低いほど遅くなるように設定する。こうすることで噴射燃料の濃度の濃い部分を維持したまま燃焼室内に送り込むことができる。 In step S33, the fuel injection end timing is delayed until the intake valve 55 is open. Further, the fuel injection timing is set to be delayed as the load is low. By doing so, the fuel can be fed into the combustion chamber while maintaining the portion where the concentration of the injected fuel is high.
ステップS34では、図2に示したように燃料噴射弁41への通電を断続的に行なうことによって、混合気に濃い部分と薄い部分が交互に生成されるように燃料を噴射し、希薄混合気の燃焼性を向上させる。 In step S34, the fuel injection valve 41 is energized intermittently as shown in FIG. 2, thereby injecting fuel so that a rich portion and a thin portion are alternately generated in the air-fuel mixture. Improves flammability.
ステップS35では、排気弁61の開閉タイミングを制御してEGR量を略ゼロにする。 In step S35, the opening / closing timing of the exhaust valve 61 is controlled to make the EGR amount substantially zero.
図9は中負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。中負荷運転制御は概ね従来の制御と同様である。 FIG. 9 is a flowchart showing a subroutine for medium load operation control. Medium load operation control is generally the same as conventional control.
ステップS51では、空燃比A/Fをストイキに設定する。空燃比が30以上の超希薄燃焼では、要求されるエンジン出力を実現できないからである。 In step S51, the air-fuel ratio A / F is set to stoichiometric. This is because the ultra-lean combustion with an air-fuel ratio of 30 or more cannot achieve the required engine output.
ステップS52では、負荷に応じた圧縮比εを設定する。この圧縮比εは高圧縮比ではなく、通常の圧縮比の範囲内とする。これは、空燃比が30以下で燃焼させる場合に圧縮比を高圧縮比化すると、かえってNOxの発生量が増加するからである(図6(B))。そこで、超希薄領域からストイキまでの中間領域の空燃比では運転せず、中負荷域となったら空燃比をストイキに設定し、通常の圧縮比で運転する。 In step S52, a compression ratio ε corresponding to the load is set. This compression ratio ε is not a high compression ratio, but is within the range of a normal compression ratio. This is because when the combustion is performed at an air-fuel ratio of 30 or less, if the compression ratio is increased, the amount of NOx generated is increased (FIG. 6B). Therefore, the air-fuel ratio in the intermediate region from the ultra-lean region to the stoichiometric region is not operated, but when the intermediate load region is reached, the air-fuel ratio is set to stoichiometric and the operation is performed at the normal compression ratio.
ステップS53では、燃料噴射時期を通常のタイミングに設定する。空燃比A/Fがストイキに設定されているため、通常の燃料噴射でも十分に燃焼安定性が確保することができるからである。 In step S53, the fuel injection timing is set to a normal timing. This is because, since the air-fuel ratio A / F is set to stoichiometric, sufficient combustion stability can be ensured even with normal fuel injection.
ステップS54では、燃料噴射弁41に連続的に通電する通常の燃料噴射とする。 In step S54, normal fuel injection in which the fuel injection valve 41 is continuously energized is set.
ステップS55では、NOxを減らすため排気弁61の開閉タイミングを制御して負荷に応じたEGR量に調整する。 In step S55, in order to reduce NOx, the opening / closing timing of the exhaust valve 61 is controlled to adjust the EGR amount according to the load.
図10は高負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。高負荷運転制御では、ノッキングの発生を抑制する。 FIG. 10 is a flowchart showing a subroutine for high load operation control. In high-load operation control, the occurrence of knocking is suppressed.
ステップS61では、空燃比A/Fをストイキよりもややリッチに設定する。 In step S61, the air-fuel ratio A / F is set slightly richer than stoichiometric.
ステップS62では、圧縮比εを設定する。このとき、高負荷であるほど圧縮比εを低く設定し、一定以上の負荷を要求された場合には圧縮比εを最小圧縮比εminに設定する。高負荷運転時に圧縮比を高くしすぎると燃焼室内の温度が上昇し、ノッキングが発生しやすくなるからである。 In step S62, the compression ratio ε is set. At this time, the compression ratio ε is set to be lower as the load is higher, and the compression ratio ε is set to the minimum compression ratio εmin when a certain load or more is required. This is because if the compression ratio is too high during high load operation, the temperature in the combustion chamber rises and knocking is likely to occur.
ステップS63では、中負荷域の制御と同様に燃料噴射時期を通常のタイミングに設定する。 In step S63, the fuel injection timing is set to a normal timing in the same manner as in the middle load range control.
ステップS64では、中負荷域の制御と同様に通常の燃料噴射とする。 In step S64, normal fuel injection is performed in the same manner as in the middle load region control.
ステップS65では、出力を優先させるため排気弁61の開閉タイミングを制御してEGR量を略ゼロにする。 In step S65, in order to give priority to output, the opening / closing timing of the exhaust valve 61 is controlled to make the EGR amount substantially zero.
図11は本発明による制御を実行したときの作用・効果を説明する図である。横軸にはエンジンの負荷を、図11(A)は縦軸に空燃比、図11(B)はEGR、図11(C)は圧縮比、図11(D)は燃料噴射の終了タイミング、図11(E)はNOxの発生量を示す。 FIG. 11 is a diagram for explaining the operation and effect when the control according to the present invention is executed. 11A is the air-fuel ratio, FIG. 11B is the EGR, FIG. 11C is the compression ratio, FIG. 11D is the fuel injection end timing, FIG. 11E shows the amount of NOx generated.
本実施形態によれば、低負荷域のときには(S2でYes)、空燃比A/Fを30以上に設定して超希薄燃焼を行なう(S31;図11(A))。このような超希薄燃焼でも、圧縮比εを高圧縮化することによって(S32;図11(C))、燃焼性を安定させることができる。また、本実施形態では燃料噴射を断続的に行なうことによって濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶ混合気を生成する。このような混合気を燃焼させることで均質な濃度の混合気を燃焼させるよりも大きな燃焼エネルギーを発生させることができる。図11(D)の縦軸は前述のように燃料噴射の終了タイミングを示しており、図上方ほど遅いタイミングとなる。したがって、吸気弁55が開いている期間は縦軸上の「吸気弁開」から「吸気弁閉」までの間となる。本実施形態では、低負荷域において吸気弁55が開いている期間に燃料噴射を行なって(S33)、さらに負荷が小さいほど燃料噴射の終了タイミングを遅くする(図11(D))。こうすることによって、混合気の濃い部分を維持したまま燃焼室に送り込むことができ、燃焼安定性をさらに向上させることができる。このようにして超希薄燃焼を実現し、NOx排出量を略ゼロにすることができる(図11(E))。 According to the present embodiment, in the low load range (Yes in S2), the air-fuel ratio A / F is set to 30 or more, and ultra lean combustion is performed (S31; FIG. 11 (A)). Even in such ultra lean combustion, the combustibility can be stabilized by increasing the compression ratio ε (S32; FIG. 11C). In the present embodiment, fuel mixture is intermittently generated to generate an air-fuel mixture in which dark portions and thin portions are alternately arranged. By burning such an air-fuel mixture, larger combustion energy can be generated than when an air-fuel mixture having a uniform concentration is combusted. The vertical axis in FIG. 11D indicates the end timing of fuel injection as described above, and the timing becomes slower as it goes upward in the figure. Therefore, the period during which the intake valve 55 is open is between “intake valve open” and “intake valve closed” on the vertical axis. In this embodiment, fuel injection is performed during the period when the intake valve 55 is open in the low load range (S33), and the end timing of fuel injection is delayed as the load decreases (FIG. 11D). By doing so, it can be sent to the combustion chamber while maintaining a rich portion of the air-fuel mixture, and the combustion stability can be further improved. In this way, ultra lean combustion can be realized, and the NOx emission amount can be made substantially zero (FIG. 11E).
さらに、このように負荷が低くなるほど空燃比を希薄にし、燃焼安定性を確保するために圧縮比を上げることで、負荷調整のためのスロットリングが必要なく、ノンスロットル運転を実現でき、ポンプロスを低減できる。 In addition, by reducing the air-fuel ratio as the load decreases in this way and increasing the compression ratio to ensure combustion stability, throttling for load adjustment is not required, non-throttle operation can be realized, and pump loss is reduced. Can be reduced.
一方、本実施形態ではEGR量を略ゼロとしているが、負荷に応じた量のEGRガスを導入してもよい。例えば、負荷が低いほどEGR量を増やすことによって燃焼室内の温度を上昇させて、圧縮比を大幅に高くすることなく燃焼安定性を向上させることができるとともに、ポンプロスを低減することができる。 On the other hand, in this embodiment, the EGR amount is set to substantially zero, but an amount of EGR gas corresponding to the load may be introduced. For example, the temperature in the combustion chamber can be increased by increasing the amount of EGR as the load is lower, so that the combustion stability can be improved without significantly increasing the compression ratio, and the pump loss can be reduced.
本実施形態によれば、中負荷域のときには(S4でYes)、エンジン出力が不足するために超希薄燃焼を行なうことができない。そこで、空燃比εをストイキに設定することによって(S51;図11(A))、必要なエンジン出力を確保する。また、負荷が低いほど圧縮比を高くすることによって(S52;図11(C))、燃焼性をより安定させることができる。さらに、負荷に応じてEGRガスを導入することで(S54;図11(B))、三元触媒のみでNOxを浄化することができる(図11(E))。 According to the present embodiment, when the engine is in the middle load range (Yes in S4), the engine output is insufficient, so that the ultra lean combustion cannot be performed. Therefore, the necessary engine output is ensured by setting the air-fuel ratio ε to stoichiometric (S51; FIG. 11A). Moreover, the combustibility can be further stabilized by increasing the compression ratio as the load is lower (S52; FIG. 11C). Furthermore, by introducing EGR gas according to the load (S54; FIG. 11B), NOx can be purified only by the three-way catalyst (FIG. 11E).
さらに、EGRガスを導入することで(S55;図11(B))、機関スロットル開度が開きポンプロスを低減できる。また中負荷域における圧縮比を、低負荷域の圧縮比よりも低く設定してノッキングを防止することができる。 Furthermore, by introducing EGR gas (S55; FIG. 11 (B)), the engine throttle opening is opened and the pump loss can be reduced. Further, knocking can be prevented by setting the compression ratio in the medium load region to be lower than the compression ratio in the low load region.
本実施形態によれば、高負荷域のときには(S4でNo)、圧縮比を中負荷域の圧縮比よりもさらに低く設定してノッキングを防止することができる(S62;図11(C))。 According to this embodiment, when the load is high (No in S4), the compression ratio can be set lower than the compression ratio of the medium load to prevent knocking (S62; FIG. 11 (C)). .
(第2実施形態)
図12は、本発明による可変圧縮比エンジンの第2実施形態の制御を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing the control of the second embodiment of the variable compression ratio engine according to the present invention.
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。 In the following embodiments, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
本実施形態では、第1実施形態と同様に低負荷域のときには空燃比A/Fを30以上に設定して超希薄燃焼を行ない(図12(A))、圧縮比εを高圧縮化するとともに(図12(C))、混合気に濃淡を生成する燃料噴射を行なうことによって安定した燃焼性を確保する。低負荷域でも比較的負荷の低い領域では第1実施形態と同様に吸気弁55が開弁している間に燃料噴射を終了させる(図12(D))。また、低負荷域でも比較的負荷の高い領域では、燃料噴射の終了タイミングを中高負荷域よりも遅いタイミングとしながら負荷に応じた制御を行なう(図12(D))。 In the present embodiment, as in the first embodiment, in the low load region, the air-fuel ratio A / F is set to 30 or more to perform ultra lean combustion (FIG. 12A), and the compression ratio ε is increased. At the same time (FIG. 12 (C)), stable fuel combustibility is ensured by performing fuel injection that generates light and shade in the air-fuel mixture. Even in the low load region, in the region where the load is relatively low, the fuel injection is terminated while the intake valve 55 is open, as in the first embodiment (FIG. 12D). Further, in a region where the load is relatively high even in the low load region, control according to the load is performed while setting the end timing of fuel injection later than that in the middle and high load regions (FIG. 12D).
なお、中高負荷域では第1実施形態と同様の制御を行なう。 In the middle and high load range, the same control as in the first embodiment is performed.
本実施形態によれば、第1実施形態と同様に低負荷域において混合気の濃い部分を維持したまま燃焼室に送り込んで燃焼安定性を向上させ、NOx排出量を略ゼロにすることができる(図12(E))。また、低負荷域でも比較的負荷の高い領域では、燃料噴射の終了タイミングを遅らせることによって混合気が滞留する時間を短縮させ、十分な燃焼安定性を確保することができる。こうすることで、運転状態が低負荷領域から中負荷領域へ遷移する際のNOx排出量の急激な増加を抑制することができる。 According to the present embodiment, as in the first embodiment, it is possible to improve the combustion stability by feeding into the combustion chamber while maintaining the rich portion of the air-fuel mixture in the low load region, and to substantially reduce the NOx emission amount to zero. (FIG. 12E). Further, in a relatively high load region even in a low load region, the time during which the air-fuel mixture stays can be shortened by delaying the end timing of fuel injection, and sufficient combustion stability can be ensured. By doing so, it is possible to suppress a rapid increase in the NOx emission amount when the operation state transitions from the low load region to the medium load region.
(第3実施形態)
図13は、本発明による可変圧縮比エンジンの第3実施形態を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a view showing a third embodiment of the variable compression ratio engine according to the present invention.
本実施形態では、第1実施形態と比べてコントロールシャフト25の制御方向及び大きさを変更する。すなわち第1実施形態ではコントロールシャフト25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(図13(A))。また、本実施形態の方がコントロールシャフト25が大きく、コントロールシャフト25の中心から偏心連結ピン24までの距離が長い(図13(A))。このような寸法にすることで、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。 In the present embodiment, the control direction and size of the control shaft 25 are changed as compared with the first embodiment. That is, in the first embodiment, the compression ratio is increased as the control shaft 25 is rotated to the right. In the present embodiment, the compression ratio is increased as the control shaft 25 is rotated counterclockwise (FIG. 13A). Further, in the present embodiment, the control shaft 25 is larger, and the distance from the center of the control shaft 25 to the eccentric connecting pin 24 is longer (FIG. 13A). By setting such dimensions, 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. 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、高圧縮比になる方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方がピストン下降が遅くなる。すなわちL32>L42になる。 In addition, since the higher the compression ratio is, the higher the compression ratio, the higher the compression ratio, the faster the piston rises. That is, L31 <L41. In addition, the piston lowers more slowly when the compression ratio is higher. That is, L32> L42.
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の滞在時間が長く、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することができる。 According to this embodiment, at a high compression ratio, the period of time until the piston rises quickly and reaches 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 ensured. 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.
(第4実施形態)
図14は、本発明による可変圧縮比エンジンの第4実施形態のピストン構造を示す図であり、図14(A)は斜視図(ピストンの一部をカットした状態を表す)であり、図14(B)は図14(A)のB−B断面図であり、図14(C)は図14(A)のC−C断面図である。また、図15はピストン挙動を示す図である。
(Fourth embodiment)
14 is a view showing a piston structure of a fourth embodiment of the variable compression ratio engine according to the present invention, and FIG. 14 (A) is a perspective view (representing a state in which a part of the piston is cut). 14B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 14A, and FIG. 14C is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. FIG. 15 is a view showing the piston behavior.
可変圧縮比エンジンに図14に示したピストン32を使用してもよい。すなわちピストン32は図14(C)に示されているようにピストンスカートが大幅に短縮されている。 The piston 32 shown in FIG. 14 may be used for the variable compression ratio engine. That is, the piston skirt of the piston 32 is greatly shortened as shown in FIG.
このようなピストン32を使用すれば、図15に示されているようにカウンターウエイトがピストンピン側方を通過できる。そのためアッパリンク11を最小限の長さとして、ピストン32の下死点位置をクランクシャフト33に最接近させることで、その分のピストンストロークを拡大することができる。なお、このような構成にするためにはピストンスカート部の強度が課題となるが、図15(B)に示すように、複リンク機構の特性を利用し、ピストン32の上死点位置においてアッパリンク11が略直立にすることでピストン32にかかる横方向荷重(スラスト荷重)を低減できる。これにより、ピストンスカート部の強度は確保される。 If such a piston 32 is used, the counterweight can pass through the side of the piston pin as shown in FIG. Therefore, by setting the upper link 11 to the minimum length and bringing the bottom dead center position of the piston 32 closest to the crankshaft 33, the piston stroke can be expanded accordingly. In order to achieve such a configuration, the strength of the piston skirt is a problem, but as shown in FIG. 15B, the upper link is formed at the top dead center position of the piston 32 using the characteristics of the multi-link mechanism. By making the link 11 substantially upright, the lateral load (thrust load) applied to the piston 32 can be reduced. Thereby, the strength of the piston skirt is ensured.
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
例えば、上記実施形態では、排気弁の開閉タイミングによって調整するいわゆる内部EGR方式でEGR量を調整することを例示して説明したが、排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路をEGR弁で開閉するいわゆる外部EGR方式によってEGR量を調整してもよい。 For example, in the above embodiment, the EGR amount is adjusted by the so-called internal EGR method that is adjusted according to the opening / closing timing of the exhaust valve. However, the EGR passage that connects the exhaust passage and the intake passage is opened / closed by the EGR valve. The EGR amount may be adjusted by a so-called external EGR method.
10 複リンク式可変圧縮比エンジン
11 アッパリンク(第1リンク)
12 ロアリンク(第2リンク)
13 コントロールリンク(第3リンク)
30 燃焼室
32 ピストン
33 クランクシャフト
41 燃料噴射弁
42 点火プラグ
51 アクチュエータ(圧縮比変更手段)
52 回転軸(圧縮比変更手段)
53 ピニオン(圧縮比変更手段)
55 吸気弁
56 吸気ポート
61 排気弁
62 排気ポート
70 コントローラ(運転状態制御手段)
ステップS1 運転状態検出手段
ステップS31,S51,S61 空燃比制御手段
ステップS34 燃料噴射制御手段
10 Multi-link variable compression ratio engine 11 Upper link (first link)
12 Lower link (second link)
13 Control link (3rd link)
30 Combustion chamber 32 Piston 33 Crankshaft 41 Fuel injection valve 42 Spark plug 51 Actuator (compression ratio changing means)
52 Rotating shaft (Compression ratio changing means)
53 Pinion (compression ratio changing means)
55 Intake valve 56 Intake port 61 Exhaust valve 62 Exhaust port 70 Controller (operating state control means)
Step S1 Operating state detection means Steps S31, S51, S61 Air-fuel ratio control means Step S34 Fuel injection control means
Claims (21)
混合気の空燃比を調節する空燃比制御手段と、
燃焼室の圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、
吸気ポートに噴射される燃料の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、
前記運転状態が所定負荷よりも低い低負荷域であるとき、負荷に応じて前記燃焼室の圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、その拡大した希薄空燃比限界付近まで前記空燃比を希薄化し、燃料噴射時期を変化させられる運転状態制御手段と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比エンジン。 Driving state detecting means for detecting the driving state;
Air-fuel ratio control means for adjusting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture;
Compression ratio changing means for changing the compression ratio of the combustion chamber;
Fuel injection control means for controlling the fuel injection timing of the fuel injected into the intake port;
When the operating state is a low load region lower than a predetermined load, the compression ratio of the combustion chamber is increased according to the load to expand the lean air-fuel ratio limit, and the air-fuel ratio is increased to near the expanded lean air-fuel ratio limit. Operating condition control means that can be diluted and change the fuel injection timing;
A variable compression ratio engine comprising:
前記圧縮比変更手段は、前記複数のリンクのうちの少なくともひとつのリンクの動作を規制して前記ピストンの上死点位置を調整して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比エンジン。 A piston connected to the crankshaft via a plurality of links;
The compression ratio changing means regulates the operation of at least one of the plurality of links and adjusts the top dead center position of the piston to change the compression ratio.
The variable compression ratio engine according to claim 1.
前記圧縮比変更手段は、前記第2リンクに連結され、その第2リンクの動作を規制して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項2に記載の可変圧縮比エンジン。 The plurality of links are a first link coupled via a piston pin, and a second link pivotably coupled to the first link and rotatably mounted on the crankshaft,
The compression ratio changing means is connected to the second link and regulates the operation of the second link to change the compression ratio.
The variable compression ratio engine according to claim 2.
ことを特徴とする請求項3に記載の可変圧縮比エンジン。 Compared to a normal engine having a piston connected to the crankshaft through a single connecting rod, the staying period near the top dead center of the piston is long.
The variable compression ratio engine according to claim 3.
ことを特徴とする請求項4に記載の可変圧縮比エンジン。 The higher the compression ratio, the longer the stay period near top dead center.
The variable compression ratio engine according to claim 4.
ことを特徴とする請求項3から請求項5までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The time to reach a top dead center after moving a predetermined distance is shorter than the time to move a predetermined distance from the top dead center,
The variable compression ratio engine according to any one of claims 3 to 5, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項6に記載の可変圧縮比エンジン。 The lower the compression ratio, the shorter the time to move the predetermined distance and reach the top dead center is shorter than the time to move the predetermined distance from the top dead center.
The variable compression ratio engine according to claim 6.
ことを特徴とする請求項3から請求項7までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 Compared to a normal engine having a piston connected to a crankshaft via a single connecting rod, the stroke characteristics of the piston are characteristics close to simple vibrations.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 3 to 7, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operation state control means alternately generates a dark portion and a thin portion in the air-fuel mixture by intermittently injecting fuel in the low load region.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means delays the fuel injection timing as the load is lower in the low load region.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 9, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means delays the fuel injection timing so that fuel injection is performed while the intake valve is open when the operating state is in a load range lower than the predetermined load.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 10, wherein the engine has a variable compression ratio.
ことを特徴とする請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means expands the lean air-fuel ratio limit to a compression ratio higher than a compression ratio in a load range higher than the predetermined load in the low load range.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 11, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means dilutes the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to near the lean air-fuel ratio limit in the low load region, thereby reducing the nitrogen oxides exhausted from the engine to the extent that the NOx purification catalyst is unnecessary.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 12, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means makes the nitrogen oxide discharged from the engine substantially zero by diluting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to near the lean air-fuel ratio limit in the low load range.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 13, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to 30 or more in the low load range.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 14, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項1から請求項15までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means expands the lean air-fuel ratio limit by increasing the compression ratio as the load is lower in the low load region, and dilutes the air-fuel ratio to near the expanded lean air-fuel ratio limit.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 15, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
前記運転状態制御手段は、前記所定負荷よりも高い負荷域において空燃比を略理論空燃比にするとともに、混合気に排ガスを導入する、
ことを特徴とする請求項1から請求項16までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 It further comprises exhaust gas introduction means for introducing exhaust gas into the mixture,
The operating state control means sets the air-fuel ratio to a substantially stoichiometric air-fuel ratio in a load range higher than the predetermined load, and introduces exhaust gas into the mixture.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 16, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項17に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means, the lower the load in the load region higher than the predetermined load, the higher the compression ratio,
The variable compression ratio engine according to claim 17.
前記排ガスは、排気弁の早期閉作動によって気筒内に残留した排ガスである、
ことを特徴とする請求項16から請求項18までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The exhaust gas introducing means includes exhaust valve phase changing means for changing the opening / closing timing of the exhaust valve,
The exhaust gas is exhaust gas remaining in the cylinder by the early closing operation of the exhaust valve.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 16 to 18, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
前記排ガスは、前記排ガス還流通路を介して還流された排ガスである、
ことを特徴とする請求項16から請求項18までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The exhaust gas introduction means includes an exhaust gas recirculation passage for recirculating a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage,
The exhaust gas is exhaust gas recirculated through the exhaust gas recirculation passage.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 16 to 18, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項16から請求項20までのいずれか1項に記載の可変圧縮比エンジン。 The amount of exhaust gas introduced is larger as the load is lower.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 16 to 20, wherein the variable compression ratio engine is characterized by the above.
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