JP2008101520A - Mirror cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はミラーサイクル機関に関する。 The present invention relates to a Miller cycle engine.
従来から、燃焼室壁面にセラミックなどの断熱材を貼り、冷却損失を低減することによって、機関の熱効率を高める断熱エンジンの試みがなされている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、セラミックは高負荷時のような高温下で熱伝達率が上昇するため、燃焼室内の吸気の温度が上昇し、圧縮終わりの温度で200℃以上の上昇となる。このような温度上昇が生じたのでは、ガソリンエンジンにおいては高負荷時のノックの発生を避けることができない。そのため、従来の固定圧縮比エンジンでは、高負荷時(ひいては全ての運転領域)において圧縮比を下げざるを得ない。このことは低負荷時の燃費効果が大幅に損なわれることを意味する。また、高負荷時には吸気の充填効率が基本的に重要であり、吸気温度が上昇するとその分、空気量が減少し、トルクが低下するトレードオフが生じることになる。 However, since the heat transfer coefficient of ceramic increases at a high temperature such as during a high load, the temperature of the intake air in the combustion chamber increases, and the temperature at the end of compression increases by 200 ° C. or more. When such a temperature rise occurs, in a gasoline engine, the occurrence of knocking at a high load cannot be avoided. Therefore, in the conventional fixed compression ratio engine, the compression ratio has to be lowered at the time of high load (as a result, all operating regions). This means that the fuel efficiency effect at low load is greatly impaired. In addition, the charging efficiency of intake air is fundamentally important at high loads, and when the intake air temperature rises, a trade-off occurs in which the amount of air decreases and torque decreases.
そこで本発明は、燃焼室を断熱化し、機関圧縮比と実圧縮比とを可変制御することで、低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノック回避との両立を図り、燃費の向上を図ることを目的とする。 Therefore, the present invention insulates the combustion chamber and variably controls the engine compression ratio and the actual compression ratio, thereby achieving both improvement in thermal efficiency at low load and knock avoidance at high load, and improvement in fuel efficiency. The purpose is to plan.
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.
壁面を断熱及び蓄熱効果の高い非金属材料で構成した燃焼室(143)と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段(100)と、同じく検出した機関運転状態に基づいて、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期可変手段(200)と、を備えることを特徴とする。 A combustion chamber (143) having a wall surface made of a non-metallic material having a high thermal insulation and heat storage effect, an operating state detecting means for detecting an engine operating state, and a compression with a variable engine compression ratio based on the detected engine operating state Based on the ratio variable means (100) and the detected engine operating state, the intake valve is controlled so that the actual compression ratio determined by the closing timing of the intake valve is smaller than the actual expansion ratio determined by the opening timing of the exhaust valve. Intake valve closing timing varying means (200) for changing the closing timing.
本発明によれば、燃焼室の断熱化による断熱作用及び蓄熱作用の両作用を活用することで、実圧縮比を実膨張比よりも小さくしたミラーサイクルエンジンにおいて、低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノック回避との両立を図り、燃費の向上を図ることができる。 According to the present invention, in the Miller cycle engine in which the actual compression ratio is smaller than the actual expansion ratio by utilizing both the heat insulation effect and the heat storage effect by the heat insulation of the combustion chamber, the thermal efficiency is improved at the time of low load. Achieving compatibility with knock avoidance at high loads and improving fuel efficiency.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明によるエンジン100を示す図である。
FIG. 1 shows an
エンジン100は、ピストン行程を変化させて機関圧縮比を変更する圧縮比可変機構を備える。本実施形態では、圧縮比可変機構として、本出願人が先に提案したもので、例えば特開2001−227367号公報等によって公知となっている複リンク式圧縮比可変機構を適用する。以下、この複リンク式圧縮比可変機構を備えたエンジンを「圧縮比可変エンジン」という。
The
圧縮比可変エンジン100は、ピストン122とクランクシャフト121とを2つのリンク(アッパリンク(第1リンク)111、ロアリンク(第2リンク)112)で連結するとともに、コントロールリンク(第3リンク)113でロアリンク112を制御して圧縮比を変更する。
The variable
アッパリンク111は、上端をピストンピン124を介してピストン122に連結し、下端を連結ピン125を介してロアリンク112の一端に連結する。ピストン122は、シリンダブロック123に嵌着させたシリンダライナ129に摺動自在に嵌合しており、燃焼圧力を受け、シリンダ120内を往復動する。
The
ロアリンク112は、一端を連結ピン125を介してアッパリンク111に連結し、他端を連結ピン126を介してコントロールリンク113に連結する。また、ロアリンク112は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト121のクランクピン121bを挿入し、クランクピン121bを中心軸として揺動する。ロアリンク112は左右の2部材に分割可能である。クランクシャフト121は、複数のジャーナル121aとクランクピン121bとを備える。ジャーナル121aは、シリンダブロック123及びラダーフレーム128によって回転自在に支持される。クランクピン121bは、ジャーナル121aから所定量偏心しており、ここにロアリンク112が揺動自在に連結する。
The
コントロールリンク113は、連結ピン126を介してロアリンク112に連結する。またコントロールリンク113は、他端を連結ピン127を介してコントロールシャフト114に連結する。コントロールリンク113は、この連結ピン127を中心として揺動する。またコントロールシャフト114にはギアが形成されており、そのギアが圧縮比制御アクチュエータ131の回転軸133に設けられたピニオン132に噛合する。圧縮比制御アクチュエータ131によってコントロールシャフト114が回転させられ、連結ピン127が移動する。
The
図2は圧縮比可変エンジン100による圧縮比変更方法を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a compression ratio changing method by the variable
圧縮比可変エンジン100は、後述するコントローラ300が圧縮比制御アクチュエータ131を制御することでコントロールシャフト114を回転させて連結ピン127の位置を変更させて、圧縮比を変更する。例えば図2(A)、図2(C)に示すように連結ピン127を位置Pにすれば、上死点位置(TDC)が高くなり高圧縮比になる。
In the compression
そして図2(B)、図2(C)に示すように、連結ピン127を位置Qにすれば、コントロールリンク113が上方へ押し上げられ、連結ピン126の位置が上がる。これによりロアリンク112はクランクピン121bを中心として反時計方向に回転し、連結ピン125が下がり、ピストン上死点におけるピストン122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 connecting
図3は、圧縮比可変エンジン100のピストンストローク特性を示す図である。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 of the variable
圧縮比可変エンジン100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。
The variable
この点について、図3を参照して説明する。図3において、実線は圧縮比可変エンジン100のピストンストローク特性を示し、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す。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す。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す。なお、ノーマルエンジンの圧縮比は、圧縮比可変エンジン100を低圧縮比にしたときの圧縮比と同じである。
This point will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the solid line indicates the piston stroke characteristic of the variable
図3に示すように、ノーマルエンジンの場合、ピストンは上死点付近で早い動き(加速度大)になり、下死点付近では鈍い動き(加速度小)になる。 As shown in FIG. 3, in the case of a normal engine, the piston moves fast (high acceleration) near the top dead center and dull (low acceleration) near the bottom dead center.
これに対し、圧縮比可変エンジン100の場合、リンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができる。そのため、バランサシャフトが不要(4気筒)となるような振動低減効果が得られるとともに、ピストン加速度が平準化され、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなる。その結果、圧縮比可変エンジン100は、同じ圧縮比にした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くなる。
On the other hand, in the case of the variable
上死点付近では、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成が行われ、さらに点火も行われる。このように行程の集中する上死点付近のピストン速度を低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができる。しかしながら、上死点付近でのピストン速度が遅くなれば、その分冷却損失は増大する。 In the vicinity of the top dead center, scavenging, filling, and air-fuel mixture formation are performed by high-pressure fresh air supplied from an air supply valve, and ignition is also performed. By reducing the piston speed in the vicinity of the top dead center where the stroke is concentrated in this way, it is possible to increase the output rotational speed. However, if the piston speed near the top dead center decreases, the cooling loss increases accordingly.
次に、図4及び図5を参照して、本発明によるエンジン100の吸気弁可変動弁機構200について説明する。図4は、本発明によるエンジン100の吸気弁可変動弁機構200を示す斜視図である。図5は吸気弁可変動弁機構200の一部を構成するリフト・作動角可変機構210の駆動軸方向視図である。
Next, an intake valve
吸気弁可変動弁機構200は、吸気弁211のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構210と、吸気弁211のリフト中心角(吸気弁211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240と、を備える。なお、図4では1つの気筒に対応する一対の吸気弁211及びその関連部品のみを簡略的に図示している。
The intake valve
まず、リフト・作動角可変機構210の構成について説明する。
First, the configuration of the lift / operating angle
エンジン100の各気筒には、一対の吸気弁211と一対の排気弁(図示せず)が設けられる。吸気弁211の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸213が設けられる。駆動軸213は、一端部に設けられた従動スプロケット241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121と連係され、クランクシャフト121に連動して軸周りに回転する。
Each cylinder of
駆動軸213には、気筒ごとに、一対の揺動カム220が駆動軸213に対して回転自在に取り付けられる。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220が駆動軸213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219が押圧され、吸気弁211が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム220は、互いに円筒等で同位相に固定されている。
A pair of rocking
図5において、揺動カム220は、その基端部に支持孔222aが貫通形成され、駆動軸213の外周面に回転自在に支持される。揺動カム220は、そのカムノーズ223の端部にピン孔223aが貫通形成される。揺動カム220の基端下面には、基円面224aと、基円面224aからカムノーズ223の先端縁側に円弧状に延びるカム面224bとが形成されており、基円面224aとカム面224bとが、揺動カム220の揺動位置に応じてバルブリフタ219に当接する。
In FIG. 5, the
駆動軸213の外周には、円筒状の駆動カム215が圧入等によって固定される。駆動カム215の中心P4は、駆動軸213の軸心P3から所定量だけ偏心した位置にある。駆動カム215は、揺動カム220から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム215の外周面には、リンクアーム225の基端が、回転自在に嵌合する。リンクアーム225は、比較的大径な円環状の基部225aと、基部225aの一部から突設された突出端225bとを備える。突出端225bには、ピン孔225cが貫通形成される。
A
駆動軸213の斜め上方には、制御軸216が、駆動軸213と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。
A
制御軸216の一端部には、制御軸216を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ230が設けられる(図4参照)。リフト量制御アクチュエータ230は、エンジン100の運転状態を検出するコントローラ300からの制御信号に基づいて、第1油圧装置301によって制御される。
One end of the
制御軸216の外周面には、制御カム217が圧入等によって固定される。制御カム217の中心P1は、制御軸216の軸心P2から所定量だけ偏心した位置にある。制御カム217には、ロッカアーム218が、制御カム217の外周面に回転自在に嵌合する。ロッカアーム218は、制御カム217の軸心P1を支点として揺動する。
A
なお、ロッカアーム218は、制御カム217に支持される中央の基端部218a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218bと他端部218cとを有する。また、一端部218b及び他端部218cには、ピン孔218d及び218eがそれぞれ貫通形成される。
The
ロッカアーム218の一端部218bと、リンクアーム225の突出端225bとは、ロッカアーム218が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン221によって連結される。
The one
ロッカアーム218の他端部218cと、リンク部材226の一端部226aとは、両者を挿通する連結ピン228によって連結される。
The
リンク部材226の他端部226bと、揺動カム220のカムノーズ223側の端部とは、両者を挿通する連結ピン229によって、ロッカアーム218の下方に揺動カム220が位置するように連結される。
The
各ピン221,228,229の一端部には、リンクアーム225やリンク部材226の軸方向の移動を規制するスナップリングが設けられる。
A snap ring for restricting the movement of the
次に、位相可変機構240の構成について説明する。
Next, the configuration of the phase
位相可変機構240は、位相角制御アクチュエータ241と第2油圧装置302とを備える。
The phase
位相角制御アクチュエータ241は、スプロケット242と駆動軸213とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。
The phase
第2油圧装置302は、エンジン100の運転状態を検出するコントローラ300からの制御信号に基づいて、位相角制御アクチュエータ241を制御する。
Second
第2油圧装置302による位相角制御アクチュエータ241への油圧制御によって、スプロケット242と駆動軸213とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。
By the hydraulic control to the phase
続いてリフト・作動角可変機構210の作用を詳述する。
Next, the operation of the lift / operating angle
駆動軸213がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム215及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム225を介してロッカアーム218が制御カム217の中心P1を中心として揺動(上下動)する。ロッカアーム218の揺動は、リンク部材226を介して揺動カム220へ伝達され、揺動カム220が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム220が揺動、すなわち上下動することによって、バルブリフタ219が押圧され、吸気弁211が下方にリフトする。
When the
ここで、リフト量制御アクチュエータ230を介して制御軸216が回転すると、ロッカアーム218の揺動支点となる制御カム217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218の支持位置が変化し、ひいては揺動カム220の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム220と、バルブリフタ219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220の揺動角は常に一定なので、以下で説明する図6のように最大リフト量が変化する。
Here, when the
図6(A)(B)は、リフト・作動角可変機構210の駆動軸方向視図である。図6(A)は、吸気弁211のゼロリフト時における揺動カム220の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図6(B)は、吸気弁211のフルリフト時における揺動カム220の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。
6A and 6B are views of the lift / operating angle
ここで、吸気弁のゼロリフト時とは、吸気弁211がリフトしないことをいう(つまり吸気弁のリフト量はゼロ)。また、吸気弁のフルリフト時とは、吸気弁211が最大のリフト量となることをいう。
Here, the time of zero lift of the intake valve means that the
図6(A)に示すように、制御カム217の中心P1が制御軸216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ときは、ロッカアーム218は全体として上方へ位置し、揺動カム220の連結ピン229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220の初期位置は、カム面224bがバルブリフタ219から離れる方向に傾く(図6(A)の左側参照)。したがって、駆動軸213の回転に伴って揺動カム220が揺動した際に、基円面224aが長くバルブリフタに接触し続け、カム面224b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211の最大リフト量が小さくなる(図6(A)の右側参照)。また、吸気弁211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211の作動角も縮小する。
As shown in FIG. 6A, when the center P 1 of the
一方、図6(B)に示すように、制御カム217の中心P1が制御軸216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218は全体として下方へ位置し、揺動カム220の連結ピン229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220の初期位置は、カム面224bがバルブリフタ219に近付く方向に傾く(図6(B)の左側参照)。したがって、駆動軸213の回転に伴って揺動カム220が揺動した際に、バルブリフタ219と接触する部位が基円面224aからカム面224bへと直ちに移行する。このため、吸気弁211の最大リフト量が大きくなる(図6(B)の右側参照)。また、吸気弁211の作動角も拡大する。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the center P 1 of the
図7は、吸気弁可変動弁機構200による作用を説明する図である。
FIG. 7 is a view for explaining the operation of the intake valve
先に図6を参照して説明した制御カム217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211のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図7の実線に示したように、吸気弁可変動弁機構200は、リフト・作動角可変機構210によって、吸気弁211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211のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁211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
さらに、図7の破線に示したように、吸気弁可変動弁機構200は、位相可変機構240によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。
Furthermore, as shown by the broken line in FIG. 7, the intake valve
このように、リフト・作動角可変機構210と位相可変機構240とを組み合わせることによって、吸気弁可変動弁機構200は、任意のクランク角度位置で吸気弁211を開閉できる。つまり、吸気弁211の閉時期を任意の時期に設定することができる。
In this way, by combining the lift / operation angle
この吸気弁可変動弁機構200を利用して、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比に対して、排気弁の開時期によって定まる実膨張比を高めたミラーサイクルエンジンを実現することができる。
Using this intake valve
ミラーサイクルエンジンは、吸気行程の途中で吸入を停止して、下死点前後では吸気を膨張・圧縮させて有効ストロークを低減させる。これにより、ポンプ損失の低減を図ることができるので、燃費が向上する。 The Miller cycle engine stops the intake in the middle of the intake stroke, and expands and compresses the intake before and after the bottom dead center to reduce the effective stroke. Thereby, reduction of pump loss can be aimed at, and a fuel consumption improves.
図8は、吸気弁可変動弁機構200によって吸気弁閉時期を下死点前(BBDC)略90°に制御したミラーサイクルエンジンのPV線図(実線)と吸気弁閉時期を下死点後(ABDC)40°に固定させたエンジンのPV線図(破線)とを比較した図である。
FIG. 8 shows a PV diagram (solid line) of a Miller cycle engine in which the intake valve closing timing is controlled to approximately 90 ° before bottom dead center (BBDC) by the intake valve
ミラーサイクルエンジンは、吸気弁211の閉時期を下死点BDCよりも大幅に早め、吸気行程半ばで吸入を停止させる。そのため、シリンダ内の吸気は、吸入行程にもかかわらず下死点BDCまで断熱膨張する。その結果、図8に示すように、シリンダ内ガス圧力は低下する。それに伴って、シリンダ内温度も低下する。
The Miller cycle engine significantly closes the closing timing of the
下死点BDCを過ぎると圧縮行程が開始する。しかし、断熱膨張が開始したシリンダ内ガス圧力までは、単なるシリンダ内ガス圧力の復帰に過ぎない。したがって、実際には、シリンダ内ガス圧力の復帰時点(圧縮開始のピストン位置)から圧縮が開始される。そのため、実圧縮比は、吸気弁閉時期が早まるにつれて低下する。 After the bottom dead center BDC, the compression stroke starts. However, up to the gas pressure in the cylinder where adiabatic expansion has started is merely a return of the gas pressure in the cylinder. Therefore, in actuality, the compression is started from the point in time when the in-cylinder gas pressure is restored (the piston position at which compression starts). Therefore, the actual compression ratio decreases as the intake valve closing timing is advanced.
この実圧縮比の低下は、上死点TDCでのシリンダ内ガス温度の低下を伴うため、燃焼状態が悪化し、燃焼速度が低下する。そのため、ポンプ損失が低下したほどには燃費の向上効果は得られない。 This decrease in the actual compression ratio is accompanied by a decrease in the in-cylinder gas temperature at the top dead center TDC, so that the combustion state is deteriorated and the combustion speed is decreased. Therefore, the fuel efficiency improvement effect cannot be obtained as the pump loss is reduced.
このように、吸気弁可変動弁機構200によって吸気弁閉時期を早めたときは、ポンプ損失を低減できる一方で、実圧縮比が低下して圧縮上死点での吸気温度が低下するため燃焼状態が悪化する。
In this way, when the intake valve closing timing is advanced by the intake valve
図9は、吸気弁閉時期と実圧縮比を同一にするために必要な機関圧縮比(ピストン上死点位置によって一義的に定まる圧縮比)との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the intake valve closing timing and the engine compression ratio (compression ratio uniquely determined by the piston top dead center position) that is necessary to make the actual compression ratio the same.
上述したように、実圧縮比は、吸気弁閉時期が早まるにつれて低下する。したがって、図9に示すように、吸気弁閉時期を早めたときに、実圧縮比を同一に保つためには、機関圧縮比を高くする必要がある。例えば、吸気弁閉時期がBDCの場合の機関圧縮比が10の場合に、吸気弁閉時期を下死点前(BBDC)90°にしたとき、実圧縮比を同一に保つためには機関圧縮比を20にする必要がある。 As described above, the actual compression ratio decreases as the intake valve closing timing is advanced. Therefore, as shown in FIG. 9, it is necessary to increase the engine compression ratio in order to keep the actual compression ratio the same when the intake valve closing timing is advanced. For example, when the engine compression ratio is 10 when the intake valve closing timing is BDC and the intake valve closing timing is set to 90 ° before the bottom dead center (BBDC), the engine compression is maintained in order to keep the actual compression ratio the same. The ratio needs to be 20.
本実施形態では、圧縮比可変エンジン100によって、吸気弁閉時期に応じて機関圧縮比を高くすることができる。しかし、機関圧縮比が高くなると圧縮上死点位置での燃焼室の空間形状が扁平となるので、圧縮上死点での冷却損失が増大してしまう。したがって、機関圧縮比を高めることによって圧縮上死点での圧縮温度の低下を改善しても、一方で冷却損失が増大してしまうので、十分な熱効率の向上につながらない。
In the present embodiment, the compression
そこで、本実施形態では、このような高圧縮化に伴う燃焼室の扁平化による冷却損失を低減するため、燃焼室壁面(ピストン、シリンダ、ヘッド、吸排気弁)の一部を断熱材又は蓄熱効果の高い材料で構成する。 Therefore, in this embodiment, in order to reduce the cooling loss due to the flattening of the combustion chamber due to such high compression, a part of the combustion chamber wall surface (piston, cylinder, head, intake / exhaust valve) is insulated or heat storage. Consists of highly effective materials.
図10は、通常のピストンと本実施形態による断熱ピストンとの断面図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view of a normal piston and a heat insulating piston according to the present embodiment.
通常のピストンの場合は、燃焼による熱は、ピストン122からピストンリング122aを介してシリンダ123へ逃げる。
In the case of a normal piston, heat from combustion escapes from the
これに対して、本実施形態による断熱ピストンの場合は、ピストン122の冠面に層状に貼られた断熱材(セラミック等)122bによって、熱の伝達が遮断される。また、シリンダライナ129を設け、シリンダライナ129を断熱材で構成することで、より効果的にシリンダへの熱の伝達を防止して冷却損失の低減を図る。
On the other hand, in the case of the heat insulating piston according to the present embodiment, heat transfer is blocked by a heat insulating material (such as ceramic) 122b stuck in a layered manner on the crown surface of the
さらに、セラミック等の断熱材は燃焼ガスの熱を蓄える蓄熱作用がある。そのため、高温の断熱材の熱によって吸気が暖められ、吸気温度が上昇する。したがって、ミラーサイクルエンジンの場合は、実圧縮比が低下することによる圧縮上死点の吸気温度の低下を、蓄熱作用による吸気温度の上昇で抑えることができる。その結果、圧縮比可変エンジン100によって、機関圧縮比を極端に高めなくても、圧縮上死点での圧縮温度の低下を抑えることができる。
Furthermore, a heat insulating material such as ceramic has a heat storage action for storing heat of combustion gas. Therefore, the intake air is warmed by the heat of the high-temperature heat insulating material, and the intake air temperature rises. Therefore, in the case of the Miller cycle engine, a decrease in the intake air temperature at the compression top dead center due to a decrease in the actual compression ratio can be suppressed by an increase in the intake air temperature due to the heat storage action. As a result, the variable
このように、本発明は、燃焼室壁面の少なくとも一部を断熱材で構成した圧縮比可変エンジン100に吸気弁可変動弁機構200を組み合わせる。
As described above, according to the present invention, the intake valve
これにより、可変圧縮比エンジン100によって圧縮比を適切な高圧縮比に設定できるとともに、高圧縮比化したときの燃焼時における冷却損失を大幅に低減させることができる。
Thereby, the variable
さらに、吸気弁可変動弁機構200によって吸気弁閉時期を早めてポンプ損失を低減できるとともに、断熱材の副作用である蓄熱作用によって燃焼・排気時の熱を積極的に蓄えて吸入空気を加熱することができるので、圧縮上死点での圧縮温度の低下を抑えることができる。このとき、加熱された吸入空気の温度がノック発生を招く温度に達する運転条件であれば、圧縮比を低くすることで、ノック発生を回避できる。
Further, the intake valve
すなわち、本発明によれば、燃焼室の断熱化による断熱作用と蓄熱作用の両作用を活用することで、ミラーサイクルエンジンの性能を大幅に向上して、冷却損失及びポンプ損失低減による燃費の向上を図ることができる。 That is, according to the present invention, the performance of the mirror cycle engine is greatly improved by utilizing both the heat insulating effect and the heat accumulating effect by the heat insulation of the combustion chamber, and the fuel efficiency is improved by reducing the cooling loss and the pump loss. Can be achieved.
以下では、このような圧縮比可変エンジン100による圧縮比及び吸気弁閉時期の制御について説明する。
Hereinafter, the control of the compression ratio and the intake valve closing timing by the variable
図11は、本発明による燃焼室143が断熱化された圧縮比可変エンジン100の制御システムの構成を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a control system of the compression
圧縮比エンジン100の制御システムは、圧縮比エンジン100と、シリンダ壁の温度を検出するシリンダ面温度センサ141と、ノックを検出するノックセンサ142と、吸気弁可変動弁機構200と、ノックセンサ142の検出信号に基づいて微弱なノック状態となるように点火時期を制御する点火進角制御装置400と、圧縮比エンジン100、吸気弁可変動弁機構200及び点火進角制御装置400を制御するコントローラ300と、を備える。
The control system of the
コントローラ300は、エンジン運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップ(図12参照)を備えており、シリンダ面温度センサ141の検出信号に基づいて、吸気温度が上昇して圧縮比の制御が不可避となる条件に達する前に、余裕をもって圧縮比を制御する。具体的には、圧縮比制御アクチュエータ131を駆動してコントロールシャフト114を回転させ、コントロールリンク113の位置を移動させることによって圧縮比を制御する。また、コントローラ300には図示しないセンサ類によって検出されたエンジン回転速度信号、エンジン負荷信号、など(運転状態検出手段)が入力される。
The
図12は、エンジン運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップである。このマップは高負荷、低速領域ほど目標圧縮比は低くなるように設定されている。図12(A)に示すように、通常の暖機後の条件では低速の全負荷領域はシリンダ壁温が高温となり、ノックが発生しやすい条件であるため、圧縮比εは8を目標としている。一方、図12(B)に示すように、冷却水温が低い暖機前のなどシリンダ壁温が所定温度以下であれば、圧縮比を高め(例えばε=10)に設定する。 FIG. 12 is a compression ratio control map in which a target compression ratio is assigned in advance according to engine operating conditions. This map is set so that the target compression ratio decreases as the load increases and the speed decreases. As shown in FIG. 12 (A), under normal warm-up conditions, the cylinder wall temperature is high in the low-speed full load region, and knocking is likely to occur. Therefore, the compression ratio ε is targeted at 8. . On the other hand, as shown in FIG. 12B, if the cylinder wall temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, such as before the warming-up with a low coolant temperature, the compression ratio is set to be higher (for example, ε = 10).
一方、R/L(平坦路面で加減速なしに車両を走行させるのに必要な負荷)特性で要求されるエンジン出力で運転しているような場合など、部分負荷領域ではノックが発生しにくい。したがって、圧縮比を15程度まで高く設定し、燃費の向上を図る。全負荷領域でも車速が高速になればノックが発生しにくくなるため、熱効率向上による出力アップを目的として、圧縮比を比較的高い値とする。 On the other hand, knocking is unlikely to occur in the partial load region, such as when driving at the engine output required by the R / L (load necessary to drive the vehicle on a flat road without acceleration / deceleration) characteristics. Therefore, the compression ratio is set high to about 15 to improve fuel efficiency. Even if the vehicle speed becomes high even in the full load region, knocking is less likely to occur, so the compression ratio is set to a relatively high value for the purpose of increasing output by improving thermal efficiency.
エンジン運転条件に応じて圧縮比を制御してもなお、ノックが発生する場合は、圧縮比に加え、点火時期を制御してノックを抑制する。図13は、ノックが発生した場合の圧縮比制御及び、点火進角制御の過渡特性を示したものである。 If knocking still occurs even if the compression ratio is controlled according to the engine operating conditions, the ignition timing is controlled in addition to the compression ratio to suppress knocking. FIG. 13 shows transient characteristics of compression ratio control and ignition advance control when knocking occurs.
図13に示すように、時刻t1で、ノックセンサ142の検出信号がスライスレベルを超えると、コントローラ300は、アクチュエータ131を駆動させて圧縮比可変エンジン100の圧縮比を下げるように制御する。同時に点火進角制御装置400が、所定のノック遅角量だけ点火時期を遅角してノックを速やかに抑制する。そして、微弱なノック状態となるように、圧縮比の変化に対応して点火時期を徐々に進角させていき(時刻t1〜t2)、最適な点火時期を保持するという一種のフィードバック制御(トレースノック制御)を行う。
As shown in FIG. 13, when the detection signal of
また、コントローラ300は、エンジン運転条件に応じて目標吸気弁閉時期を予め割り付けた吸気弁閉時期制御マップを備えている。
The
図14は、エンジン運転条件と吸気弁閉時期の制御を示す図である。本実施形態では、低負荷域など、吸気弁111の閉時期を早めたい場合は、図14(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14(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14(B)に示すように中間のリフト特性とする。
FIG. 14 is a diagram showing control of engine operating conditions and intake valve closing timing. In this embodiment, when it is desired to advance the closing timing of the
以上説明した本実施形態によれば、ピストン122の冠面及びシリンダライナ129を断熱材で構成し、燃焼室143の断熱化を図ることで、熱効率を向上させることができる。
According to the present embodiment described above, the crown surface of the
また、同時に圧縮比可変エンジン100によって機関圧縮比を可変制御することで、部分負荷時には高い圧縮比を維持して冷却損失低減による熱効率向上を図ることができる。一方、全負荷時やノックを検出したときには、圧縮比を相対的に低下させ、ノック発生を抑制することができる。
At the same time, by variably controlling the engine compression ratio by the variable
さらに、吸気弁可変動弁機構200によって実圧縮比を可変制御することで、実圧縮比を低下させてポンプ損失を低減させることができる。このとき、燃焼室の断熱化による蓄熱作用によって、実圧縮比の低下による圧縮上死点での吸気温度の低下を抑え燃焼の改善を図ることができる。
Furthermore, the actual compression ratio is variably controlled by the intake valve
なお、本実施形態による圧縮比可変エンジン100は、単振動に近いピストンストローク特性を実現することにより、上下死点のピストン速度のアンバランスが解消され、二次振動を低減できるなど、振動低減効果も有する。また、上死点付近でのピストン速度が遅くなり、燃焼時間が多くとれるため、出力可能な回転速度を上げることができる。一方、上死点付近でのピストン速度が遅くなることで生じる冷却損失の増大を、燃焼室の断熱化によって効果的に解消できる。
The variable
100 圧縮比可変エンジン(圧縮比可変手段)
111 アッパリンク(第1リンク)
112 ロアリンク(第2リンク)
113 コントロールリンク(第3リンク)
114 コントロールシャフト
122 ピストン
141 シリンダ面温度センサ(壁面温度検出手段)
142 ノックセンサ(ノック検出手段)
200 吸気弁可変動弁機構(吸気弁閉時期可変手段)
210 リフト・作動角可変機構
211 吸気弁
240 位相可変機構
300 コントローラ
100 Compression ratio variable engine (Compression ratio variable means)
111 Upper link (first link)
112 Lower link (second link)
113 Control link (3rd link)
114
142 Knock sensor (knock detection means)
200 Intake valve variable valve mechanism (Intake valve closing timing variable means)
210 Lift / Operating Angle
Claims (9)
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段と、
同じく検出した機関運転状態に基づいて、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期可変手段と、
を備えたミラーサイクル機関。 A combustion chamber composed of a non-metallic material having a high thermal insulation and heat storage effect on the wall surface;
An operating state detecting means for detecting an engine operating state;
A compression ratio variable means for varying the engine compression ratio based on the detected engine operating state;
Similarly, based on the detected engine operating condition, the intake valve closing time is changed so that the actual compression ratio determined by the closing timing of the intake valve is smaller than the actual expansion ratio determined by the opening timing of the exhaust valve. Time variable means,
Mirror cycle agency with.
ことを特徴とする請求項1に記載のミラーサイクル機関。 2. The Miller cycle engine according to claim 1, wherein the intake valve closing timing varying means advances the closing timing of the intake valve as the load detected by the operating state detecting means is lower. 3.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のミラーサイクル機関。 3. The Miller cycle engine according to claim 1, wherein the compression ratio variable unit increases the engine compression ratio as the load detected by the operating state detection unit is lower.
一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第1リンクと、
一端が前記第1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2リンクと、
一端が前記第2リンクの他端に連結される第3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3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、
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する
ことを特徴とする請求項3に記載のミラーサイクル機関。 The compression ratio varying means is
A first link having one end connected 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 is connected to the eccentric shaft portion so that the other end of the third link can swing freely;
With
4. The Miller cycle engine according to claim 3, wherein the top dead center position of the piston is changed by rotating the control shaft and moving the eccentric shaft portion up and down based on an engine operating state.
ことを特徴とする請求項4に記載のミラーサイクル機関。 5. The mirror cycle engine according to claim 4, wherein a link configuration of the first link, the second link, and the third link is set so that a stroke characteristic of the piston is substantially simple vibration.
前記圧縮比可変手段は、前記ノック検出手段で検出したノック発生頻度又は検出値が所定値以上になれば、前記機関圧縮比を低下させる
ことを特徴とする請求項3から5までのいずれか1つに記載のミラーサイクル機関。 A knock detection means,
The compression ratio varying means reduces the engine compression ratio when a knock occurrence frequency or a detected value detected by the knock detection means exceeds a predetermined value. Mirror cycle agency described in one.
前記圧縮比可変手段は、前記壁面温度検出手段で検出した壁面温度が所定値以上になれば、前記機関圧縮比を低下させる
ことを特徴とする請求項3から6までのいずれか1つに記載のミラーサイクル機関。 A wall surface temperature detecting means for detecting the temperature of the wall surface of the combustion chamber;
The compression ratio varying means reduces the engine compression ratio when the wall surface temperature detected by the wall surface temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined value. Miller cycle agency.
ことを特徴とする請求項1から7までのいずれか1つに記載のミラーサイクル機関。 The intake valve closing timing variable means includes a lift / operation angle variable mechanism that changes the lift / operation angle of the intake valve, and a phase variable mechanism that advances or retards the phase of the lift center angle of the intake valve. The Miller cycle engine according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is characterized in that:
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段と、を備えた内燃機関であって、
吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を設定した
ことを特徴とするミラーサイクル機関。 A combustion chamber composed of a non-metallic material having a high thermal insulation and heat storage effect on the wall surface;
An operating state detecting means for detecting an engine operating state;
An internal combustion engine comprising compression ratio variable means for varying the engine compression ratio based on the detected engine operating state,
A mirror cycle engine characterized in that the closing timing of the intake valve is set so that the actual compression ratio determined by the closing timing of the intake valve is smaller than the actual expansion ratio determined by the opening timing of the exhaust valve.
Priority Applications (3)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012117376A (en) * | 2010-11-29 | 2012-06-21 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Valve actuation apparatus of internal combustion engine and rockable cam to be used in the same |
JP2013517407A (en) * | 2010-01-14 | 2013-05-16 | アウディ アクチェンゲゼルシャフト | Inline engine with multi-link crank mechanism and only one balance shaft to counteract secondary inertial force |
JP2014088880A (en) * | 2014-02-13 | 2014-05-15 | Nissan Motor Co Ltd | Knocking control device of spark ignition type internal combustion engine |
-
2006
- 2006-10-18 JP JP2006283981A patent/JP2008101520A/en active Pending
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