JP2008267301A - Internal combustion engine - Google Patents

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Shunichi Aoyama
俊一 青山
Hirobumi Tsuchida
博文 土田
Koji Hiratani
康治 平谷
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an actual compression ratio and greatly reduce pumping loss while securing combustion stability by combination of a long stroke piston by a double link type piston-crank mechanism 32 and Miller cycle by a variable valve gear 31. <P>SOLUTION: This engine is provided with: a variable valve gear 31 variably controlling open and close timing of an intake valve; and a variable compression ratio mechanism 32 changing geometrical compression ratio by using the double link type piston-crank mechanism connecting the piston and the crankshaft. Long stroke of the piston is provided without causing increase of base outer shape dimension by constructing the engine to make a largest outer diameter part of a counter weight pass on a side of a pin boss part retaining a piston pin in a vicinity of bottom dead point. Intake valve close timing is advanced in a partial load zone by the variable valve gear 31 to make actual expansion ratio smaller than actual compression ratio. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、ピストン−クランク機構によりピストンが往復動するとともに、吸気弁側に可変動弁装置を設けた内燃機関に関し、特に、ガソリン機関における部分負荷時の燃費向上に適した技術に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine in which a piston is reciprocated by a piston-crank mechanism and a variable valve operating device is provided on an intake valve side, and more particularly to a technique suitable for improving fuel consumption at a partial load in a gasoline engine.

例えば特許文献1に記載されているように、本出願人は、先に、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小制御可能な可変動弁機構を提案しており、さらに、リフトの中心角の位相を遅進させる機構と組み合わせて、リフト特性の大幅な自由度を得るようにした可変動弁装置を提案している。また本出願人は、レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している。この種の可変圧縮比機構は、内燃機関の幾何学的な圧縮比(見かけの圧縮比,機械的な圧縮比とも呼ぶ)を変化させるものであり、一般に、部分負荷時には、熱効率向上のために高圧縮比に制御され、高負荷時には、ノッキング回避のために低圧縮比に制御される。
特開2003−314315号公報
For example, as described in Patent Document 1, the present applicant has previously proposed a variable valve mechanism capable of continuously expanding / reducing the lift / operation angle of the intake valve, and further, In combination with a mechanism for delaying the phase of the central angle of the valve, a variable valve operating device has been proposed which can obtain a large degree of freedom in lift characteristics. Further, the present applicant uses a multi-link type piston-crank mechanism as a variable compression ratio mechanism of a reciprocating internal combustion engine, and changes a piston top dead center position by moving a part of the link configuration. Various proposals. This type of variable compression ratio mechanism changes the geometric compression ratio (also called the apparent compression ratio or mechanical compression ratio) of an internal combustion engine. It is controlled to a high compression ratio, and at a high load, it is controlled to a low compression ratio to avoid knocking.
JP 2003-314315 A

周知のようにミラーサイクルエンジンでは、吸気弁の閉時期を吸気下死点に対して早閉じ又は遅閉じとして、実膨張比を低下することなく実圧縮比を低下することで、吸入時の吸気圧力を大気圧に近づけてポンプ損失を大幅に低減・解消することが理論的には可能であることは良く知られている。ここで、上記実圧縮比は、吸気弁閉時期から圧縮が開始すると想定してピストン上死点まで圧縮したときの圧縮比であり、また実膨張比は、ピストン上死点から膨張して排気弁開時期に膨張が終了すると想定した膨張比である。   As is well known, in the Miller cycle engine, the intake valve closing timing is set to early closing or late closing with respect to the intake bottom dead center, and the actual compression ratio is reduced without lowering the actual expansion ratio. It is well known that it is theoretically possible to substantially reduce or eliminate pump loss by bringing the pressure close to atmospheric pressure. Here, the actual compression ratio is a compression ratio when compression is performed up to the piston top dead center on the assumption that compression starts from the intake valve closing timing, and the actual expansion ratio expands from the piston top dead center and exhausts. The expansion ratio assumes that the expansion ends at the valve opening timing.

しかしながら、実際のガソリンエンジンをミラーサイクル化しようとすると、実圧縮比の低下に伴い圧縮上死点付近での温度が低くなりすぎて、良好な着火性,燃焼安定性を確保できない、という課題がある。この課題に対し、上記の可変圧縮比機構との組み合わせにより、実圧縮比の低下に伴い幾何学的な圧縮比を高めることで燃焼安定性を確保し、ミラーサイクル化による燃費向上を図る技術を本出願人は以前に提案している。しかしながら、単に上記の可変圧縮比機構により幾何学的な圧縮比を高めようとすると、高圧縮比化に伴って燃焼室の形状が偏平化して、冷却損失の増大が顕著なものとなるとともに、上記の複リンク式ピストン−クランク機構によってピストンストローク特性を単リンク式のものに比して単振動に近いものとすると、上死点付近でのピストン速度が遅くなるために、より一層冷却損失が増大する傾向にあり、やはり圧縮上死点付近での温度低下により燃焼安定性を良好に確保することができず、更なる改善が望まれていた。   However, when trying to make an actual gasoline engine into a mirror cycle, the temperature near the compression top dead center becomes too low as the actual compression ratio decreases, and there is a problem that good ignitability and combustion stability cannot be secured. is there. In response to this problem, a technology that ensures combustion stability by increasing the geometric compression ratio as the actual compression ratio decreases, and improves fuel efficiency through mirror cycle, in combination with the variable compression ratio mechanism described above. The applicant has previously proposed. However, if the geometric compression ratio is simply increased by the variable compression ratio mechanism, the shape of the combustion chamber is flattened as the compression ratio is increased, and the increase in cooling loss becomes remarkable. If the piston stroke characteristics are close to simple vibration compared to the single link type by the above-mentioned multi-link type piston-crank mechanism, the piston speed near the top dead center will be slowed down. There is a tendency to increase, and the combustion stability cannot be secured satisfactorily due to the temperature drop near the compression top dead center, and further improvement has been desired.

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、ピストン−クランク機構により内燃機関の基本的な外形寸法の増加を招くことなくピストンのロングストローク化を図り、かつ、このようなロングストローク化と、吸気弁の閉時期の可変制御との組み合わせによって、燃焼室形状の偏平化を招くことなく、実圧縮比の低下(ミラーサイクル化)に伴う冷却損失の増加を有効に低減・解消し、部分負荷時等での大幅なポンプ損失低減,燃費向上を可能とする新規な内燃機関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 problem, and the piston-crank mechanism is intended to increase the piston stroke without causing an increase in the basic external dimensions of the internal combustion engine. Combined with longer stroke and variable control of intake valve closing timing, it effectively reduces the increase in cooling loss due to a decrease in actual compression ratio (mirror cycle) without causing flattening of the combustion chamber shape. The object is to provide a new internal combustion engine that eliminates the problem and can significantly reduce pump loss and improve fuel efficiency at the time of partial load.

本発明は、シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトとを連結するピストン−クランク機構と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変制御可能な可変動弁装置と、を有する内燃機関において、上記ピストンが下死点近傍にあるときに、上記ピストンピンを保持したピンボス部の側方を、上記カウンタウェイトの最外径部が通過するように構成したことを特徴としている。換言すれば、上記クランクシャフトのカウンタウェイトの最外径部が、下死点近傍において、ピストンピンの軸方向への延長線と交差する。つまり、下死点位置におけるピストンとクランクシャフト中心との距離が非常に小さく設定されているのであり、これにより、内燃機関の基本的な寸法の増加を招くことなく、上死点から下死点までのピストンストロークひいては排気量をより大きく確保し得る。   The present invention provides an internal combustion engine having a piston-crank mechanism that connects a piston that reciprocates in a cylinder and a crankshaft, and a variable valve operating device that can variably control at least the closing timing of an intake valve. In the vicinity of the bottom dead center, the outermost diameter portion of the counterweight passes through the side of the pin boss portion holding the piston pin. In other words, the outermost diameter portion of the counterweight of the crankshaft intersects the extension line in the axial direction of the piston pin in the vicinity of the bottom dead center. In other words, the distance between the piston and the center of the crankshaft at the bottom dead center position is set to be very small, and this does not cause an increase in the basic dimensions of the internal combustion engine, and the bottom dead center from the top dead center. It is possible to secure a larger piston stroke and thus a larger displacement.

望ましくは、少なくとも部分負荷時には、上記吸気弁閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁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、上記吸気弁閉時期を制御する。このような実圧縮比の低下つまりミラーサイクル化により、スロットルロスを含めたポンプ損失を著しく低減することができる。ここで、上記の実圧縮比や実膨張比は、いずれもその具体的な値としては、幾何学的な圧縮比に左右されるが、両者の大小比較の上では、そのときの幾何学的な圧縮比は影響しない。つまり、上記の「実圧縮比が実膨張比よりも小さい」という関係は、「(実圧縮比/実膨張比)<1」ということであり、それぞれの基礎となる幾何学的な圧縮比は同一であるから、考慮する必要がなく、吸気弁閉時期によって、上記の大小関係が定まる。そして、「(実圧縮比/実膨張比)<1」という関係は、実圧縮比を積極的に抑制していることになる。このように実圧縮比を低下させる手法として、吸気弁を吸気下死点よりも早く閉じる、いわゆる早閉じの方法と、吸気下死点よりも遅く閉じる、いわゆる遅閉じの方法と、がある。   Desirably, at least during partial load, the intake valve closing timing is controlled so that the actual compression ratio determined by the intake valve closing timing is smaller than the actual expansion ratio determined by the exhaust valve opening timing. Pump loss including throttle loss can be remarkably reduced by such a reduction in actual compression ratio, that is, mirror cycle. Here, the actual compression ratio and the actual expansion ratio both depend on the geometric compression ratio as specific values. However, on the comparison of the two sizes, the geometric ratio at that time The compression ratio is not affected. In other words, the relationship that “the actual compression ratio is smaller than the actual expansion ratio” is “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1”. Since they are the same, there is no need to consider them, and the above magnitude relationship is determined by the intake valve closing timing. The relationship “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1” means that the actual compression ratio is positively suppressed. As methods for reducing the actual compression ratio in this way, there are a so-called early closing method in which the intake valve is closed earlier than the intake bottom dead center, and a so-called late closing method in which the intake valve is closed later than the intake bottom dead center.

そして、このような実圧縮比の低下に上述したピストンのロングストローク化の技術を組み合わせることで、燃焼室形状の偏平化を招くことなく実圧縮比の低下に伴う冷却損失の増加を抑制し、大幅な燃費向上を図ることが可能となる。   Then, by combining the above-described technology for increasing the stroke of the piston with the decrease in the actual compression ratio, the increase in the cooling loss due to the decrease in the actual compression ratio is suppressed without causing the flattening of the combustion chamber shape, It will be possible to significantly improve fuel efficiency.

上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えているが、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長と略等しいか、あるいはこれよりも短いことが望ましい。   Each of the pistons has a skirt portion at a portion on the thrust-anti-thrust side in the circumferential direction. Is the width of the skirt portion along the axial direction of the piston pin substantially equal to the total length of the piston pin? Or shorter.

本発明では、望ましくは、上記ピストン−クランク機構としては、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えた複リンク式ピストン−クランク機構が用いられる。   In the present invention, preferably, as the piston-crank mechanism, one end of the upper link is connected to the piston via a piston pin, and the other end of the upper link is connected via a first connection pin. A lower link rotatably attached to the crankpin of the crankshaft, and a control having one end connected to the lower link via a second connection pin and the other end supported to be swingable with respect to the internal combustion engine body And a multi-link piston-crank mechanism having a link.

上記コントロールリンクの上記他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段をさらに備えた構成とすれば、上記揺動支持位置の変位により幾何学的な圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構を容易に実現可能である。   If the structure further includes a support position changing means for displacing the swing support position of the other end of the control link relative to the internal combustion engine body, the geometric compression ratio is variably controlled by the displacement of the swing support position. A variable compression ratio mechanism can be easily realized.

このような複リンク式ピストン−クランク機構では、上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、そのリンク構成を設定することが可能である。このようにアッパリンクの姿勢が垂直に近付くことで、ピストンに作用するサイドスラスト荷重が相対的に低減する。そのためピストンスカート部の小型化が可能となる。   In such a multi-link piston-crank mechanism, when the piston is in a position to receive the maximum combustion load, the inclination of the upper link with respect to the cylinder axis is smaller than in the case of the single-link piston-crank mechanism. It is possible to set the link configuration. Thus, the side thrust load acting on the piston is relatively reduced by the posture of the upper link approaching the vertical. Therefore, the piston skirt portion can be reduced in size.

また、上記複リンク式ピストン−クランク機構では、クランクシャフトの回転に対するピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、そのリンク構成を設定することも容易である。このように単振動に近い特性とすれば、ピストン加速度が平準化されて上死点付近の最大慣性力が低減し、ピストンピンおよびピンボス部の小型化の上で有利となる。しかも騒音振動特性の上で有利となり、例えば、直列4気筒機関のピストンストローク拡大に伴う、ピストンの慣性2次振動の悪化を回避できる。   In the multi-link type piston-crank mechanism, the link configuration is set so that the piston stroke characteristic of the piston with respect to the rotation of the crankshaft is closer to the single vibration characteristic than that of the single-link piston-crank mechanism. It is also easy to do. If the characteristics are close to simple vibrations in this way, the piston acceleration is leveled and the maximum inertial force near the top dead center is reduced, which is advantageous in reducing the size of the piston pin and the pin boss. Moreover, it is advantageous in terms of noise vibration characteristics, and for example, it is possible to avoid the deterioration of the inertial secondary vibration of the piston accompanying the expansion of the piston stroke of the in-line four-cylinder engine.

本発明によれば、内燃機関の基本的な外形寸法の増加を招くことなくピストンのロングストローク化を図ることができ、このようなロングストローク化と、吸気弁閉時期の可変制御による実圧縮比の低下と、の組み合わせによって、燃焼室形状の過度な偏平化を防止できるので、実圧縮比の低下(ミラーサイクル化)に伴う冷却損失の増大を抑制し、部分負荷時等における大幅なポンプ損失低減・燃費向上を図ることができる。   According to the present invention, it is possible to achieve a long stroke of the piston without causing an increase in the basic external dimensions of the internal combustion engine, and the actual compression ratio by such a long stroke and variable control of the intake valve closing timing. In combination with a decrease in the temperature, excessive flattening of the combustion chamber shape can be prevented, so an increase in cooling loss due to a decrease in the actual compression ratio (mirror cycle) is suppressed, resulting in a significant pump loss during partial loads. Reduction and fuel efficiency can be improved.

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、吸気弁開閉時期を可変制御するための可変動弁装置31と、内燃機関の幾何学的な圧縮比を可変制御する圧縮比可変機構32と、点火時期を制御する点火進角制御装置33と、を備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a control device for an internal combustion engine according to the present invention. This internal combustion engine includes a variable valve operating device 31 for variably controlling the intake valve opening / closing timing, a compression ratio variable mechanism 32 for variably controlling the geometric compression ratio of the internal combustion engine, and an ignition advance angle for controlling the ignition timing. And a control device 33.

図2は、上記可変動弁装置31の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁装置31は、吸気弁41のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構34と、そのリフトの中心角の位相(クランクシャフトに対する位相)を進角もしくは遅角させる位相可変機構35と、が組み合わされて構成されている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the variable valve operating device 31. The variable valve operating device 31 includes a lift / operating angle variable mechanism 34 for changing the lift / operating angle of the intake valve 41, and the lift. And a phase variable mechanism 35 for advancing or retarding the phase of the central angle (phase with respect to the crankshaft).

まず、リフト・作動角可変機構34を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構34は、本出願人が先に提案したものであるが、位相可変機構35とともに特開2002−89303号公報や特開2002−89341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。リフト・作動角可変機構34は、シリンダヘッド上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸36と、この駆動軸36に、圧入等により固定された偏心カム37と、上記駆動軸36の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸36と平行に配置された制御軸38と、この制御軸38の偏心カム部39に揺動自在に支持されたロッカアーム40と、各吸気弁41の上端部に配置されたタペット42に当接する揺動カム43と、を備えている。上記偏心カム37とロッカアーム40とはリング状リンク44によって連係されており、ロッカアーム40と揺動カム43とは、アーム状リンク45によって連係されている。   First, the lift / operating angle variable mechanism 34 will be described. The lift / operating angle variable mechanism 34 has been previously proposed by the applicant of the present invention, and is known along with the phase variable mechanism 35 from Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2002-89303 and 2002-89341. Therefore, only the outline will be explained. The lift / operating angle variable mechanism 34 includes a hollow drive shaft 36 rotatably supported by a cam bracket (not shown) above the cylinder head, an eccentric cam 37 fixed to the drive shaft 36 by press-fitting or the like, A control shaft 38 that is rotatably supported by the same cam bracket at a position above the drive shaft 36 and is arranged in parallel with the drive shaft 36, and is swingably supported by an eccentric cam portion 39 of the control shaft 38. A rocker arm 40 and a swing cam 43 that abuts against a tappet 42 disposed at the upper end of each intake valve 41 are provided. The eccentric cam 37 and the rocker arm 40 are linked by a ring-shaped link 44, and the rocker arm 40 and the swing cam 43 are linked by an arm-shaped link 45.

上記駆動軸36は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。上記偏心カム37は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸36の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リング状リンク44の環状部44aが回転可能に嵌合している。上記ロッカアーム40は、略中央部が上記偏心カム部39によって支持されており、その一端部に、上記リング状リンク44の延長部44bが連係しているとともに、他端部に、上記アーム状リンク45の上端部が連係している。上記偏心カム部39は、制御軸38の軸心から偏心しており、従って、制御軸38の角度位置に応じてロッカアーム40の揺動中心は変化する。   As will be described later, the drive shaft 36 is driven by a crankshaft of an engine via a timing chain or a timing belt. The eccentric cam 37 has a circular outer peripheral surface, and the center of the outer peripheral surface is offset from the shaft center of the drive shaft 36 by a predetermined amount, and the annular portion 44a of the ring-shaped link 44 rotates on the outer peripheral surface. It is possible to fit. The rocker arm 40 is supported at its substantially central portion by the eccentric cam portion 39, and an extension portion 44 b of the ring-shaped link 44 is linked to one end thereof, and the arm-shaped link is connected to the other end. The upper end of 45 is linked. The eccentric cam portion 39 is eccentric from the axis of the control shaft 38, and therefore the rocking center of the rocker arm 40 changes according to the angular position of the control shaft 38.

上記揺動カム43は、駆動軸36の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、上記アーム状リンク45の下端部が連係している。この揺動カム43の下面には、駆動軸36と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から上記端部へと所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム43の揺動位置に応じてタペット42の上面に当接するようになっている。すなわち、上記基円面はベースサークル区間として、リフト量が0となる区間であり、揺動カム43が揺動してカム面がタペット42に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。   The swing cam 43 is rotatably supported by being fitted to the outer periphery of the drive shaft 36, and the lower end portion of the arm-shaped link 45 is linked to the end portion extending sideways. On the lower surface of the swing cam 43, a base circle surface concentric with the drive shaft 36 and a cam surface extending in a predetermined curve from the base circle surface to the end are continuously provided. These base circle surfaces and cam surfaces are in contact with the upper surface of the tappet 42 in accordance with the swing position of the swing cam 43. That is, the base circle surface is a section where the lift amount becomes 0 as a base circle section, and when the swing cam 43 swings and the cam surface contacts the tappet 42, the base circle section lifts gradually. A slight ramp section is provided between the base circle section and the lift section.

上記制御軸38は、図1,2に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ46によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ46への油圧供給は、エンジンコントロールユニット30からの制御信号に基づき、第1油圧制御部47によって制御されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the control shaft 38 is configured to rotate within a predetermined angle range by a lift / operation angle control hydraulic actuator 46 provided at one end. The hydraulic pressure supply to the lift / operating angle control hydraulic actuator 46 is controlled by the first hydraulic control unit 47 based on a control signal from the engine control unit 30.

このリフト・作動角可変機構34の作用を説明すると、駆動軸36が回転すると、偏心カム37のカム作用によってリング状リンク44が上下動し、これに伴ってロッカアーム40が揺動する。このロッカアーム40の揺動は、アーム状リンク45を介して揺動カム43へ伝達され、該揺動カム43が揺動する。この揺動カム43のカム作用によって、タペット42が押圧され、吸気弁41がリフトする。ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ46を介して制御軸38の角度が変化すると、ロッカアーム40の初期位置が変化し、ひいては揺動カム43の初期揺動位置が変化する。上記の偏心カム部39の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図3に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大,縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁41の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。   The operation of the variable lift / operating angle mechanism 34 will be described. When the drive shaft 36 rotates, the ring-shaped link 44 moves up and down by the cam action of the eccentric cam 37, and the rocker arm 40 swings accordingly. The swing of the rocker arm 40 is transmitted to the swing cam 43 via the arm-shaped link 45, and the swing cam 43 swings. The tappet 42 is pressed by the cam action of the swing cam 43, and the intake valve 41 is lifted. Here, when the angle of the control shaft 38 changes via the lift / operating angle control hydraulic actuator 46, the initial position of the rocker arm 40 changes, and consequently, the initial swing position of the swing cam 43 changes. Since the initial position of the eccentric cam portion 39 can be continuously changed, the valve lift characteristic changes continuously as shown in FIG. That is, the lift and the operating angle can be continuously expanded and contracted simultaneously. In this embodiment, the opening timing and closing timing of the intake valve 41 change substantially symmetrically with the change in the lift and operating angle.

次に、位相可変機構35は、図2に示すように、上記駆動軸36の前端部に設けられたスプロケット48と、このスプロケット48と上記駆動軸36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制御用油圧アクチュエータ49と、から構成されている。上記スプロケット48は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用油圧アクチュエータ49への油圧供給は、エンジンコントロールユニット30からの制御信号に基づき、第2油圧制御部50によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ49への油圧制御によって、スプロケット48と駆動軸36とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構35としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。   Next, as shown in FIG. 2, the phase varying mechanism 35 is configured so that the sprocket 48 provided at the front end of the drive shaft 36 and the sprocket 48 and the drive shaft 36 are relatively moved within a predetermined angle range. And a hydraulic actuator 49 for phase control that is rotated to the right. The sprocket 48 is linked to the crankshaft via a timing chain or timing belt (not shown). The hydraulic pressure supply to the phase control hydraulic actuator 49 is controlled by the second hydraulic pressure control unit 50 based on a control signal from the engine control unit 30. By the hydraulic control to the phase control hydraulic actuator 49, the sprocket 48 and the drive shaft 36 are relatively rotated, and the lift center angle is retarded. That is, the lift characteristic curve itself does not change, and the whole advances or retards. This change can also be obtained continuously. The phase variable mechanism 35 is not limited to a hydraulic type, and various configurations such as those using an electromagnetic actuator are possible.

このようにリフト・作動角可変機構34と位相可変機構35とを組み合わせた可変動弁装置31によれば、吸気弁開時期および吸気弁閉時期の双方をそれぞれ独立して任意に制御することが可能である。なお、リフト・作動角可変機構34ならびに位相可変機構35の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。   As described above, according to the variable valve operating apparatus 31 combining the lift / operating angle variable mechanism 34 and the phase variable mechanism 35, both the intake valve opening timing and the intake valve closing timing can be arbitrarily controlled independently. Is possible. As for the control of the lift / working angle variable mechanism 34 and the phase variable mechanism 35, a sensor for detecting the actual lift / working angle or phase may be provided to perform closed loop control, or depending on the operating conditions. It is also possible to simply perform open loop control.

図4は、代表的な運転条件下での可変動弁装置31による吸気弁開閉時期の制御の一例を示す。なお、排気弁側には可変動弁機構は設けられていないので、排気弁開閉時期は常に一定であり、つまり排気弁閉時期(EVC)は上死点近傍に固定されるとともに、排気弁開時期(EVO)は下死点近傍に固定され、その実膨張比は常に一定である。同図に示すように、低負荷時には、小作動角とするとともにリフト中心角を進角させる。従って、吸気弁閉時期(IVC)が下死点より相当早い特性(約90°ATDC)となる。このような実圧縮比の大幅な低減化は、後述するロングストローク化との組み合わせにより可能な設定であり、これによるポンプ損失の低減化により燃費性能を著しく向上することができる。中負荷域では、吸気充填効率を高める必要から、吸気弁閉時期が下死点に近づくように可変動弁装置31を制御する。そのため、ノック発生を回避するように、幾何学的な圧縮比は徐々に低下させる。   FIG. 4 shows an example of control of the intake valve opening / closing timing by the variable valve gear 31 under typical operating conditions. Since the variable valve mechanism is not provided on the exhaust valve side, the exhaust valve opening / closing timing is always constant, that is, the exhaust valve closing timing (EVC) is fixed near the top dead center, and the exhaust valve opening timing is fixed. The timing (EVO) is fixed near the bottom dead center, and the actual expansion ratio is always constant. As shown in the figure, when the load is low, a small operating angle is set and the lift center angle is advanced. Therefore, the intake valve closing timing (IVC) has a characteristic (about 90 ° ATDC) that is considerably earlier than the bottom dead center. Such a significant reduction in the actual compression ratio is a setting that can be made in combination with a long stroke, which will be described later, and fuel efficiency can be significantly improved by reducing pump loss. In the middle load range, the variable valve gear 31 is controlled so that the intake valve closing timing approaches the bottom dead center because it is necessary to increase the intake charging efficiency. Therefore, the geometric compression ratio is gradually decreased so as to avoid the occurrence of knocking.

全開を含む高負荷時には、充填効率を最大とするために、作動角を十分に拡大し、吸気弁開時期を上死点近傍とするとともに、吸気弁閉時期を下死点近傍とする。従って実圧縮比が高くなる傾向となるので、ノッキング回避のために可変圧縮比機構による幾何学的な圧縮比はさらに低く制御される。   At the time of high load including full opening, in order to maximize the charging efficiency, the operating angle is sufficiently expanded, the intake valve opening timing is set near the top dead center, and the intake valve closing timing is set near the bottom dead center. Therefore, since the actual compression ratio tends to be high, the geometric compression ratio by the variable compression ratio mechanism is controlled to be lower in order to avoid knocking.

ここで、上記の例では、低,中負荷時のような部分負荷時には、作動角を180°以下にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも進角させる例(所謂早閉じ)を説明したが、作動角を180°以上とし、吸気弁閉時期を下死点よりも遅角させる(所謂遅閉じ)ようにしてもよい。このように、部分負荷域では、実圧縮比を低下させる、いわゆるミラーサイクル化によりより、実圧縮比が実膨張比よりも小さくなる。つまり、「(実圧縮比/実膨張比)<1」という関係となる。ここで、上記実圧縮比は、吸気弁閉時期(IVC)から圧縮が開始すると想定してピストン上死点まで圧縮したときの圧縮比であり、また実膨張比は、ピストン上死点から膨張して排気弁開時期(EVO)に膨張が終了すると想定した膨張比である。   Here, in the above example, at the time of partial load such as low and medium loads, the operation angle is set to 180 ° or less and the intake valve closing timing is advanced from the intake bottom dead center (so-called early closing). However, the operation angle may be set to 180 ° or more, and the intake valve closing timing may be retarded from the bottom dead center (so-called delayed closing). In this way, in the partial load region, the actual compression ratio becomes smaller than the actual expansion ratio due to so-called mirror cycling that lowers the actual compression ratio. That is, the relationship is “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1”. Here, the actual compression ratio is a compression ratio when compression is performed up to the piston top dead center on the assumption that the compression starts from the intake valve closing timing (IVC), and the actual expansion ratio is expanded from the piston top dead center. Thus, the expansion ratio assumes that expansion ends at the exhaust valve opening timing (EVO).

図5は、上記可変圧縮比機構32の構成を示す構成説明図である。この機構32は、ロアリンク4とアッパリンク5とコントロールリンク10とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。クランクシャフト1は、複数のジャーナル部2とクランクピン3とを備えており、シリンダブロック18の主軸受に、ジャーナル部2が回転自在に支持されている。上記クランクピン3は、ジャーナル部2から所定量偏心しており、ここにロアリンク4が回転自在に連結されている。カウンタウェイト15は、ジャーナル部2とクランクピン3とを接続するクランクウェブ16からクランクピン3とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト15は、クランクピン3を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部2を中心とした円弧形に形成されている。   FIG. 5 is a configuration explanatory view showing the configuration of the variable compression ratio mechanism 32. The mechanism 32 includes a multi-link type piston-crank mechanism mainly composed of the lower link 4, the upper link 5, and the control link 10. The crankshaft 1 includes a plurality of journal portions 2 and a crankpin 3, and the journal portion 2 is rotatably supported by a main bearing of the cylinder block 18. The crank pin 3 is eccentric from the journal portion 2 by a predetermined amount, and a lower link 4 is rotatably connected thereto. The counterweight 15 extends from the crank web 16 connecting the journal portion 2 and the crankpin 3 to the opposite side of the crankpin 3. The counter weight 15 is provided on both sides of the crank pin 3 so as to face each other, and an outer peripheral portion thereof is formed in an arc shape centering on the journal portion 2.

上記ロアリンク4は、左右の2部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン3が嵌合している。アッパリンク5は、下端側が第1連結ピン6によりロアリンク4の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン7によりピストン8に回動可能に連結されている。上記ピストン8は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック18のシリンダ19内を往復動する。ロアリンク4の運動を拘束するコントロールリンク10は、上端側が第2連結ピン11によりロアリンク4の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸12を介して機関本体の一部となるシリンダブロック18の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸12は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部12aを有し、この偏心カム部12aに上記コントロールリンク10下端部が回転可能に嵌合している。   The lower link 4 is configured to be split into two left and right members, and the crank pin 3 is fitted in a substantially central connecting hole. The upper link 5 has a lower end side rotatably connected to one end of the lower link 4 by a first connecting pin 6, and an upper end side rotatably connected to a piston 8 by a piston pin 7. The piston 8 receives combustion pressure and reciprocates in the cylinder 19 of the cylinder block 18. The control link 10 that constrains the movement of the lower link 4 is pivotally connected to the other end of the lower link 4 at the upper end side by the second connecting pin 11, and the lower end side becomes a part of the engine body via the control shaft 12. The lower part of the cylinder block 18 is rotatably connected. Specifically, the control shaft 12 is rotatably supported by the engine body and has an eccentric cam portion 12a that is eccentric from the center of rotation, and the lower end portion of the control link 10 is rotatable on the eccentric cam portion 12a. Is fitted.

上記制御軸12は、図1に示すように、上記のエンジンコントロールユニット30からの制御信号に基づいて作動する圧縮比制御アクチュエータ51によって回動位置が制御される。上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸12が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部12aの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク10の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク10の揺動支持位置が変化すると、ピストン8の行程が変化し、ピストン上死点(TDC)におけるピストン8の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、幾何学的な圧縮比を変えることが可能となる。   As shown in FIG. 1, the rotation position of the control shaft 12 is controlled by a compression ratio control actuator 51 that operates based on a control signal from the engine control unit 30. In the variable compression ratio mechanism using the multi-link type piston-crank mechanism as described above, when the control shaft 12 is rotated by the compression ratio control actuator, the center position of the eccentric cam portion 12a, particularly with respect to the engine main body. The relative position changes. Thereby, the rocking | fluctuation support position of the lower end of the control link 10 changes. When the swing support position of the control link 10 changes, the stroke of the piston 8 changes, and the position of the piston 8 at the piston top dead center (TDC) becomes higher or lower. This makes it possible to change the geometric compression ratio.

また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、図13に示すように、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。これによりピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。なお、上記の単振動に近いピストンストローク特性によれば、上死点付近でのピストン8の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、20%近く遅くなる。   Further, in the above-described multi-link variable compression ratio mechanism, a piston stroke characteristic close to simple vibration can be obtained by appropriately selecting a link dimension. In particular, as shown in FIG. 13, it is possible to obtain characteristics closer to simple vibration compared to the piston stroke characteristics of a general single link type piston-crank mechanism. As a result, the piston acceleration is leveled, and the maximum inertial force near the top dead center of the piston is greatly reduced. According to the piston stroke characteristics close to the simple vibration described above, the speed of the piston 8 near the top dead center is slowed by nearly 20% as compared with that of the single link type piston-crank mechanism.

次に、ピストン8およびアッパリンク5の構造について説明する。図6〜図9は、本発明の内燃機関に用いられるピストン8の構造を示している。このピストン8は、アルミニウム合金を用いて一体に鋳造されたものであって、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部21の外周面に、複数本、例えば3本のピストンリング溝22が形成されているとともに、ピストン8のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部23が形成されている。このスカート部23は、図9に示すように、ピストンピン7と直交する方向から見た投影形状が略矩形状をなし、そのピストンピン軸方向に沿った幅は、ピストンピン7の全長と略等しいか、あるいはピストンピン7の全長よりも短いものとなっている。つまり、スカート部23は、周方向の非常に小さな範囲に設けられている。   Next, the structure of the piston 8 and the upper link 5 will be described. 6 to 9 show the structure of the piston 8 used in the internal combustion engine of the present invention. The piston 8 is integrally cast using an aluminum alloy, and a plurality of, for example, three piston ring grooves 22 are formed on the outer peripheral surface of a piston head 21 having a relatively thick disk shape. A skirt portion 23 is formed on a part of the piston 8 in the circumferential direction that is the thrust-anti-thrust direction so as to extend from the outer circumferential surface along the cylindrical surface. As shown in FIG. 9, the skirt portion 23 has a substantially rectangular projection when viewed from a direction orthogonal to the piston pin 7, and the width along the piston pin axial direction is substantially equal to the entire length of the piston pin 7. It is equal or shorter than the total length of the piston pin 7. That is, the skirt portion 23 is provided in a very small range in the circumferential direction.

また、上記ピストン8の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部21の裏面中心部に、一対のピンボス部24が形成されており、該ピンボス部24に、ピストンピン7の端部が回転自在に嵌合するピン孔25が貫通形成されている。上記ピン孔25の内周には、軸方向に沿った一対の油溝26が形成されている。一方、アッパリンク5は、鋼製のものであり、図10に示すように、ピストン8側の一端にピストンピン7が圧入されている。また、ロアリンク4と連結されるアッパリンク5の他端は、図12に示すように、二股状に分岐し、上記第1連結ピン6の両端部を支持している。   A pair of pin bosses 24 are formed in the center of the piston 8, that is, in the center of the back surface of the piston head 21 having a disk shape, and the end of the piston pin 7 is rotatable on the pin boss 24. A pin hole 25 to be fitted is formed through. A pair of oil grooves 26 along the axial direction are formed on the inner periphery of the pin hole 25. On the other hand, the upper link 5 is made of steel, and as shown in FIG. 10, a piston pin 7 is press-fitted into one end on the piston 8 side. Further, as shown in FIG. 12, the other end of the upper link 5 connected to the lower link 4 branches into a bifurcated shape and supports both ends of the first connecting pin 6.

ここで、アッパリンク5における上方のピストンピン7の軸長と、下方の第1連結ピン6の軸長とは、互いに等しい。また、ピストンピン7が受ける荷重と第1連結ピン6が受ける荷重とは基本的に等しいので、ピストンピン7と第1連結ピン6とは、互いに等しい径とすることができる。また、図10および図12に示すように、一対のピンボス部24およびピストンピン7からなるピストン連結構造のピストンピン軸方向の寸法は、ピストン8ないしはシリンダ19の直径に比べて、かなり小さなものとなっている。   Here, the axial length of the upper piston pin 7 in the upper link 5 and the axial length of the lower first connecting pin 6 are equal to each other. Further, since the load received by the piston pin 7 and the load received by the first connecting pin 6 are basically equal, the piston pin 7 and the first connecting pin 6 can have the same diameter. As shown in FIGS. 10 and 12, the dimension of the piston coupling structure including the pair of pin boss portions 24 and the piston pin 7 in the piston pin axial direction is considerably smaller than the diameter of the piston 8 or the cylinder 19. It has become.

そして、ピストン8が下死点近傍にあるときに、クランクシャフト1のカウンタウェイト15の最外径部が、図示するように、ピストンピン7を軸方向へ延長した延長線と交差するようになっている。換言すれば、ピストン8が下死点近傍にあるときに、ピストンピン7を保持したピンボス部24の側方を、カウンタウェイト15の最外径部が通過する。   When the piston 8 is in the vicinity of bottom dead center, the outermost diameter portion of the counterweight 15 of the crankshaft 1 intersects with an extension line extending the piston pin 7 in the axial direction as shown in the figure. ing. In other words, when the piston 8 is in the vicinity of the bottom dead center, the outermost diameter portion of the counterweight 15 passes through the side of the pin boss portion 24 holding the piston pin 7.

図11は、対比のために、従来の一般的な単リンク式ピストン−クランク機構101とピストン102とを組み合わせた場合の上死点から下死点までのピストンストロークを示している。これと図12とを比較すれば明らかなように、上記実施例の構成では、上死点から下死点までのピストンストロークが大幅に拡大し、排気量の拡大が可能である。例えば、20%程度のピストンストロークの拡大が図れる。   FIG. 11 shows the piston stroke from the top dead center to the bottom dead center when the conventional general single link type piston-crank mechanism 101 and the piston 102 are combined for comparison. As is apparent from a comparison between FIG. 12 and FIG. 12, in the configuration of the above embodiment, the piston stroke from the top dead center to the bottom dead center is greatly increased, and the displacement can be increased. For example, the piston stroke can be expanded by about 20%.

また、図12から明らかなように、スカート部23も小型化されていることから、上記のようにカウンタウェイト15がピンボス部24の側方を通過する際に、スカート部23と干渉することはない。このようにスカート部23を小型化すると、その剛性を大きく確保することは困難であるが、本発明が前提とする複リンク式ピストン−クランク機構においては、ピストン8を傾けようと作用するサイドスラスト荷重は、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるので、スカート部23は最小の大きさで済む。具体的には、ピストン8に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、このとき、アッパリンク5は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ19の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ19の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部23の小型化が可能となる。   Further, as apparent from FIG. 12, since the skirt portion 23 is also downsized, the counterweight 15 does not interfere with the skirt portion 23 when passing the side of the pin boss portion 24 as described above. Absent. If the skirt portion 23 is reduced in size as described above, it is difficult to ensure a large rigidity. However, in the multi-link type piston-crank mechanism on which the present invention is based, a side thrust that acts to tilt the piston 8 is used. Since the load is smaller than that in the case of a general single link type piston-crank mechanism, the skirt portion 23 only needs to have a minimum size. Specifically, the maximum combustion pressure acts on the piston 8 in the first half of the expansion stroke. At this time, the upper link 5 is in a posture close to vertical and the inclination of the cylinder 19 with respect to the axis is very small. In particular, the inclination of the cylinder 19 with respect to the axis can be made smaller than the posture of the connecting rod in the case of a single link type piston-crank mechanism. Accordingly, the side thrust load is reduced, and the skirt portion 23 can be downsized.

さらに、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の利点として、単振動に近いピストン−ストローク特性とすることで、ピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。従って、上記のように、ピストンピン7を保持するピンボス部24の小型化が可能となる。なお、図11に示した単リンク式ピストン−クランク機構101を用いた構成において、仮に、クランクピンのクランク半径を大きくしてピストンストロークをロングストローク化したとすると、ピストン102に作用するサイドスラスト荷重は一層大きくなり、スカート部の小型化が到底困難であるばかりか、実用機関としての成立が難しくなる。   Furthermore, as an advantage of the above-mentioned double link type piston-crank mechanism, the piston acceleration is leveled by making the piston-stroke characteristic close to simple vibration, and the maximum inertial force near the top dead center of the piston is greatly reduced. . Therefore, as described above, the pin boss portion 24 that holds the piston pin 7 can be downsized. In the configuration using the single link type piston-crank mechanism 101 shown in FIG. 11, assuming that the crank radius of the crankpin is increased and the piston stroke is made longer, the side thrust load acting on the piston 102 is assumed. As the size of the skirt increases, it is difficult to reduce the size of the skirt, and it is difficult to establish a practical engine.

また、本発明は、直列4気筒機関に好適である。一般に、直列4気筒機関の場合、ピストン8の慣性2次振動がピストンストローク拡大に伴い急増するため、ストロークの拡大で大排気量化を図ると、騒音振動特性が悪化し、品質を著しく損ねる問題があったが、本発明で用いる複リンク式ピストン−クランク機構では、単振動に近いピストンストローク特性となるため、このような騒音振動特性の悪化を回避できる。しかも、単振動に近いピストンストローク特性とすれば、上死点付近でのピストン8の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて遅くなることから、同じ燃焼速度に対し十分に時間的な余裕が与えられることになり、気筒当たりの排気量が大きな燃焼室でも、良好な燃焼を確保できる。   The present invention is suitable for an in-line four-cylinder engine. In general, in the case of an in-line four-cylinder engine, the inertial secondary vibration of the piston 8 increases rapidly with the expansion of the piston stroke. Therefore, if the displacement is increased by increasing the stroke, the noise vibration characteristics deteriorate and the quality is significantly impaired. However, the multi-link type piston-crank mechanism used in the present invention has a piston stroke characteristic close to a single vibration, so that such a deterioration of the noise vibration characteristic can be avoided. Moreover, if the piston stroke characteristics are close to simple vibration, the speed of the piston 8 near the top dead center is slower than that of the single link type piston-crank mechanism. Thus, good combustion can be ensured even in a combustion chamber having a large displacement per cylinder.

なお、図6〜図9に例示したピストン8は、ピストンリングとして圧縮リングが2本の形式であるのに対し、図10に例示したピストン8は、圧縮リングが1本の構成となっている。本発明のピンボス部24やピストンピン7を小型化したピストン8は、その下半分の重量が非常に軽くなるので、圧縮リングを1本とした構成は、ピストンピン7回りのピストン8の挙動安定の上で有利である。また、本発明のそもそもの目的であるピストンストローク拡大の上でも有利となる。   The piston 8 illustrated in FIGS. 6 to 9 has two compression rings as a piston ring, whereas the piston 8 illustrated in FIG. 10 has a single compression ring. . Since the weight of the lower half of the piston 8 in which the pin boss portion 24 and the piston pin 7 of the present invention are miniaturized becomes very light, the configuration with a single compression ring stabilizes the behavior of the piston 8 around the piston pin 7. Is advantageous. Further, it is advantageous in terms of expanding the piston stroke, which is the original object of the present invention.

図14は、吸気弁閉時期(IVC)に対応した幾何学的な圧縮比の制御目標値の一例を示している。可変圧縮比機構32による幾何学的な圧縮比は、低負荷時には高圧縮比、高負荷時には低圧縮比となるように、基本的には機関負荷に応じて可変制御される。また、実際には、ノッキングを検出するノックセンサやシリンダ壁温を検出する温度センサ(図示省略)等の信号に基づいて、蓄熱作用による温度上昇分等を見越して余裕をもって幾何学的な圧縮比や吸気弁閉時期による実圧縮比が補正・制御される。   FIG. 14 shows an example of a geometrical compression ratio control target value corresponding to the intake valve closing timing (IVC). The geometric compression ratio by the variable compression ratio mechanism 32 is basically variably controlled in accordance with the engine load so that the compression ratio is high when the load is low and the compression ratio is low when the load is high. Actually, based on signals from a knock sensor that detects knocking, a temperature sensor (not shown) that detects cylinder wall temperature, etc., the geometric compression ratio has a margin in anticipation of the temperature rise due to heat storage. And the actual compression ratio according to the intake valve closing timing is corrected and controlled.

図14を参照して、有効圧縮比(実圧縮比)をほぼ一定に保つためには、吸気弁閉時期(IVC)を早めるほど加速度的に幾何学的な圧縮比を高くする必要がある。従って、例えば低負荷時のようにIVCを約90°ATDCとした場合、IVCが上死点のときに比して実圧縮比が半減するため、幾何学的な圧縮比の要求は極めて高い値(例えば約20)となり、仮に本実施例のようにロングストローク化することなく幾何学的な圧縮比を単に高めようとすると、燃焼室形状が極めて偏平なものとなり、圧縮上死点付近の冷却損失が増大して、高圧縮比化により圧縮温度が回復する効果は頭打ちとなる。   Referring to FIG. 14, in order to keep the effective compression ratio (actual compression ratio) substantially constant, it is necessary to increase the geometric compression ratio in an accelerated manner as the intake valve closing timing (IVC) is advanced. Therefore, for example, when the IVC is about 90 ° ATDC as in a low load, the actual compression ratio is halved compared to when the IVC is at the top dead center. (For example, about 20) If the geometric compression ratio is simply increased without increasing the stroke as in the present embodiment, the shape of the combustion chamber becomes extremely flat, and cooling near the compression top dead center is achieved. The effect of increasing the loss and recovering the compression temperature by increasing the compression ratio reaches its peak.

図15は、燃焼ガスからの熱流束(瞬時冷却損失)と、燃焼室の表面温度の変化を示す。この図からわかるように、燃焼がピークとなる上死点後のごく短い期間に熱流束が集中的に高くなる傾向にある。このような上死点後のごく短い期間ではシリンダ表面が殆ど露出しておらず、冷却にあまり寄与しないことになるので、ピストンとシリンダヘッドの燃焼室側に面した表面が冷却損失の主体となる。従って、所定の圧縮比でボア径を変えずにピストンストローク量のみを例えば約20%拡大した場合、冷却損失がピークとなる上死点直後のS/V(表面積/容積)比は、排気量が約20%増える一方で冷却に寄与する表面積は変らないとすれば、実質的に約17%減少することになる。実際にもこの比率に近い冷却損失の低減効果(燃焼ピーク時)が得られることが確認された。   FIG. 15 shows changes in the heat flux (instantaneous cooling loss) from the combustion gas and the surface temperature of the combustion chamber. As can be seen from this figure, the heat flux tends to increase intensively in a very short period after the top dead center where combustion peaks. In such a very short period after top dead center, the cylinder surface is hardly exposed and does not contribute much to cooling, so the surfaces facing the combustion chamber side of the piston and cylinder head are the main causes of cooling loss. Become. Accordingly, when only the piston stroke amount is increased by, for example, about 20% without changing the bore diameter at a predetermined compression ratio, the S / V (surface area / volume) ratio immediately after the top dead center at which the cooling loss reaches a peak is the exhaust amount. If the surface area that contributes to cooling is not changed while it increases by about 20%, it will substantially decrease by about 17%. Actually, it was confirmed that the cooling loss reduction effect (at the time of the combustion peak) close to this ratio was obtained.

このようなロングストローク化による高圧縮比化に対し、例えば燃焼室形状の偏平化による高圧縮比化では、熱効率は期待したほど向上しない。その理由は、高圧縮比化にともなって燃焼室形状を偏平とすると、冷却損失が増大するためである。すなわち、高圧縮比化に伴い膨張比が大となって排気温度が下がるために排気エネルギーが減少し、排気損失は減少するものの、上記のような燃焼室形状の偏平化による高圧縮比化の場合、冷却損失も増大することから、排気損失の低減分が冷却損失の増大分により相殺され、全体としての熱効率の向上があまり望めない。しかも、冷却損失が増大することから、実圧縮比の低下に伴う温度低下が促進され、燃焼安定性を確保することが困難である。   In contrast to such a high compression ratio due to a long stroke, for example, a high compression ratio by flattening the shape of the combustion chamber does not improve the thermal efficiency as expected. The reason is that the cooling loss increases when the shape of the combustion chamber is made flat as the compression ratio increases. That is, as the compression ratio is increased, the expansion ratio is increased and the exhaust temperature is lowered. As a result, the exhaust energy is reduced and the exhaust loss is reduced. In this case, since the cooling loss also increases, the reduction in the exhaust loss is offset by the increase in the cooling loss, so that improvement in the overall thermal efficiency cannot be expected. In addition, since the cooling loss increases, a temperature decrease accompanying a decrease in the actual compression ratio is promoted, and it is difficult to ensure combustion stability.

これに対して、ロングストローク化による高圧縮比化の場合、燃焼室の偏平化を招くことなく高圧縮比化が可能であるために冷却損失を有効に低減することができ、これにより、熱効率が向上することに加え、実圧縮比の低下に伴う温度低下を有効に抑制することができる。従って、このようなロングストローク化とミラーサイクルとに組み合わせによって、部分負荷時(低・中負荷域)では燃焼安定性を確保しつつ実圧縮比を大幅に低減して、ポンプ損失を大幅に低減することが可能となる。   On the other hand, when the compression ratio is increased by increasing the stroke, the cooling loss can be effectively reduced because the compression ratio can be increased without causing flattening of the combustion chamber. In addition to the improvement in temperature, it is possible to effectively suppress the temperature decrease accompanying the decrease in the actual compression ratio. Therefore, by combining such a long stroke and mirror cycle, the actual compression ratio is greatly reduced and the pump loss is greatly reduced while ensuring combustion stability at partial load (low / medium load range). It becomes possible to do.

但し、ロングストローク化した場合、高速時の出力が延びないという本質的な課題がある。これはロングストローク化により吸気弁近傍での吸気流速が早期に音速に達するためである。吸・排気弁のサイズの増加はシリンダのボア径により制限されるので困難である。このような課題に対しても、可変動弁装置31、特にそのリフト・作動角可変機構34による吸気弁のリフト可変制御との組み合わせが非常に効果的である。すなわち、高速時には大リフトにすることにより、吸気弁近傍の流れが音速になる限界流量を大幅にのばすことができる。従って、ロングストローク化と吸気弁のリフト可変制御との組合せによれば、高速回転時における出力性能を大幅に向上することができる。   However, when the stroke is increased, there is an essential problem that the output at high speed does not extend. This is because the intake flow velocity in the vicinity of the intake valve reaches the sonic velocity early due to the longer stroke. Increasing the size of the intake / exhaust valve is difficult because it is limited by the bore diameter of the cylinder. Also for such a problem, the combination with the variable valve operating device 31, particularly the variable lift control of the intake valve by the variable lift / operating angle mechanism 34, is very effective. That is, by making a large lift at high speed, the critical flow rate at which the flow in the vicinity of the intake valve becomes sonic can be greatly increased. Therefore, according to the combination of the long stroke and the variable lift control of the intake valve, the output performance during high-speed rotation can be greatly improved.

図16は、断熱ピストンの一例を示している。上述したロングストローク化に加えて、燃焼室の壁面の一部を構成するピストン8の冠面に、セラミック等の非金属材料からなる断熱材8Aをコーティングすれば、冷却損失の低減効果がより一層大きくなる。ただし、セラミックなどの断熱材8Aをコーティングした場合、高負荷時等では高温になってノックが発生し易くなるため、現実的には、上記実施例のように可変圧縮比機構による幾何学的な圧縮比の可変制御との組み合わせが必要である。   FIG. 16 shows an example of the heat insulating piston. In addition to the above-mentioned long stroke, if the crown 8 of the piston 8 constituting a part of the wall surface of the combustion chamber is coated with a heat insulating material 8A made of a nonmetallic material such as ceramic, the effect of reducing the cooling loss is further improved. growing. However, when the heat insulating material 8A such as ceramic is coated, the temperature becomes high at a high load and the like, and knocking is likely to occur. Combination with variable control of the compression ratio is necessary.

この発明の一実施例に係る内燃機関の構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The structure explanatory drawing of the internal combustion engine which concerns on one Example of this invention. この実施例における可変動弁装置を簡略的に示す斜視図。The perspective view which shows simply the variable valve apparatus in this Example. リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。The characteristic view which shows the characteristic change of the lift and working angle by a lift and working angle variable mechanism. 上記可変動弁装置による実圧縮比の可変制御の例を示す特性図。The characteristic view which shows the example of the variable control of the actual compression ratio by the said variable valve apparatus. この実施例における可変圧縮比機構を示す構成説明図。Structure explanatory drawing which shows the variable compression ratio mechanism in this execution example. クランクシャフトと直交する面に沿ったピストンの断面図。Sectional drawing of the piston along the surface orthogonal to a crankshaft. クランクシャフト軸方向に沿ったピストンの断面図。Sectional drawing of the piston along a crankshaft axial direction. ピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。The perspective view which notches and shows a part of piston. ピストンの側面図。The side view of a piston. 下死点におけるピストンとカウンタウェイトとの位置関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the positional relationship of the piston and counterweight in a bottom dead center. 従来のピストン−クランク機構におけるピストンストロークの説明図。Explanatory drawing of the piston stroke in the conventional piston-crank mechanism. 実施例におけるピストンストロークの説明図。Explanatory drawing of the piston stroke in an Example. 実施例のピストン−ストローク特性を示す特性図。The characteristic view which shows the piston-stroke characteristic of an Example. 吸気弁閉時期に対応した幾何学的な圧縮比の制御目標値の一例を示す特性図。The characteristic view which shows an example of the control target value of the geometric compression ratio corresponding to intake valve closing timing. クランク角度に対する燃焼室表面温度と瞬時熱流束の変化とを示す説明図Explanatory diagram showing combustion chamber surface temperature and change in instantaneous heat flux with respect to crank angle 燃焼室の壁面の一部を構成するピストンの冠面を非金属材料によりコーティングしたピストンの一例を示す断面対応図。The cross-sectional view which shows an example of the piston which coated the crown surface of the piston which comprises a part of wall surface of a combustion chamber with the nonmetallic material.

符号の説明Explanation of symbols

1…クランクシャフト
4…ロアリンク
5…アッパリンク
7…ピストンピン
8…ピストン
10…コントロールリンク
15…カウンタウェイト
23…スカート部
24…ピンボス部
31…可変動弁装置
32…可変圧縮比機構(複リンク式ピストン−クランク機構)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crankshaft 4 ... Lower link 5 ... Upper link 7 ... Piston pin 8 ... Piston 10 ... Control link 15 ... Counterweight 23 ... Skirt part 24 ... Pin boss part 31 ... Variable valve gear 32 ... Variable compression ratio mechanism (double link) Type piston-crank mechanism)

Claims (7)

シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトとを連結するピストン−クランク機構と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変制御可能な可変動弁装置と、を有し、
上記ピストンが下死点近傍にあるときに、上記ピストンピンを保持したピンボス部の側方を、上記カウンタウェイトの最外径部が通過するように構成したことを特徴とする内燃機関。
A piston-crank mechanism that connects a piston that reciprocates in a cylinder and a crankshaft, and a variable valve device that can variably control at least the closing timing of the intake valve;
An internal combustion engine configured so that the outermost diameter portion of the counterweight passes through a side of a pin boss portion holding the piston pin when the piston is near bottom dead center.
上記ピストンのストローク量をピストンの直径よりも大きくしたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。   2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein a stroke amount of the piston is made larger than a diameter of the piston. 少なくとも部分負荷時に、上記吸気弁閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁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、上記吸気弁閉時期を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関。   The intake valve closing timing is controlled so that an actual compression ratio determined by the intake valve closing timing is smaller than an actual expansion ratio determined by the exhaust valve opening timing at least during partial load. 2. The internal combustion engine according to 2. 上記ピストン−クランク機構は、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えた複リンク式ピストン−クランク機構であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関。   The piston-crank mechanism has an upper link whose one end is connected to the piston via a piston pin, and the other end of the upper link is connected via a first connecting pin, and is rotatable to the crank pin of the crankshaft. And a control link having one end connected to the lower link via a second connecting pin and the other end supported to be swingable with respect to the internal combustion engine body. The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the internal combustion engine is a piston-crank mechanism. 上記コントロールリンクの上記他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段をさらに備え、上記揺動支持位置の変位により幾何学的な圧縮比を可変制御することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関。   The control link further includes a support position varying means for displacing the swing support position of the other end of the control link with respect to the internal combustion engine body, and the geometric compression ratio is variably controlled by the displacement of the swing support position. The internal combustion engine according to claim 4. 低負荷時には高圧縮比、高負荷時には低圧縮比となるように、機関負荷に応じて幾何学的な圧縮比を可変制御することを特徴とする請求項5に記載の内燃機関。   6. The internal combustion engine according to claim 5, wherein the geometric compression ratio is variably controlled in accordance with the engine load so that the compression ratio is high when the load is low and the compression ratio is low when the load is high. 燃焼室の壁面の一部を非金属材料により構成したことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, wherein a part of the wall surface of the combustion chamber is made of a nonmetallic material.
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