JP2009209759A - Internal combustion engine - Google Patents

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Shunsuke Shigemoto
俊介 重元
Koji Hiratani
康治 平谷
Shinobu Kamata
忍 釜田
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston stroke variable control mechanism capable of freely changing piston stroke. <P>SOLUTION: This internal combustion engine provided with: a piston-crank mechanism is provided with; an eccentric member 4b provided at a connecting rod large end part 3b with keeping eccentricity of a center axis of a crank pin 6 and a center axis of the connecting rod large end part 3b; a planetary member 4a formed as one unit with the eccentric member 4b and provided concentrically with a center axis of the crank pin 6; a rolling member 5 installed on an engine body concentrically with a center axis of a crankshaft 7 in such a manner that the same can freely rotate, and inscribed with the planetary member 4a; and a control mechanism capable of controlling rotation of the rolling member 5 by controlling supply quantity of power to a first motor 9. Power supply to the first motor 9 is stopped for a prescribed period of time right after the control mechanism starts expansion stroke to perform quick expansion control putting the rolling member 5 under a condition where the same can freely rotate. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関のピストンストロークを可変に制御する機構に関する。   The present invention relates to a mechanism for variably controlling a piston stroke of an internal combustion engine.

内燃機関の燃費を向上させる手段として、小排気量化やミラーサイクルの実現が知られているが、近年では、ピストンとクランクシャフトとを複数のリンクで連結する機構を用いることにより、1サイクル中のピストンストローク量を可変に制御するものが知られている。   As means for improving the fuel consumption of an internal combustion engine, it is known to realize a small displacement and a mirror cycle. However, in recent years, by using a mechanism that connects a piston and a crankshaft by a plurality of links, One that variably controls the amount of piston stroke is known.

特許文献1では、クランクシャフトとコネクティングロッドとの締結部に歯車機構を用いることにより、複雑なリンク機構を用いることなくピストンストローク量を可変に制御する機構が開示されている。
実開平3−61135号公報
Patent Document 1 discloses a mechanism that variably controls a piston stroke amount without using a complicated link mechanism by using a gear mechanism at a fastening portion between a crankshaft and a connecting rod.
Japanese Utility Model Publication No. 3-61135

ところで、特許文献1の構成では、機関本体に取り付けられた回動リングを回転させることによりピストンストロークを変化させる構成となっているが、この回動リングの回動範囲が制限されているため、1サイクル中のピストンストロークの変化量も制限されてしまい、ピストンストローク量を変化させることによる効果が十分に得られないという問題がある。   By the way, in the structure of patent document 1, although it becomes the structure which changes a piston stroke by rotating the rotation ring attached to the engine main body, since the rotation range of this rotation ring is restrict | limited, The amount of change in the piston stroke during one cycle is also limited, and there is a problem that the effect of changing the amount of piston stroke cannot be obtained sufficiently.

そこで、本発明では、ピストンストローク量を自在に変化させることが可能なピストンストローク可変制御機構を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a piston stroke variable control mechanism that can freely change the piston stroke amount.

本発明は、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関に関する。さらに、ピストンとクランクシャフトとを連接するコネクティングロッドと、コネクティングロッド大端部にクランクピンの中心軸とコネクティングロッド大端部の中心軸とが偏心するよう設けられた偏心部材と、偏心部材と一体に形成され前記クランクピンの中心軸と同心状に設けられた遊星部材と、機関本体にクランクシャフトの中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ遊星部材と内接する転動部材と、駆動源としての第1モータへの動力の供給量を制御することにより転動部材の回転を制御可能な制御機構と、を備え、制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は第1モータへの動力供給を停止して転動部材を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なう。   The present invention relates to an internal combustion engine including a piston-crank mechanism that converts a reciprocating motion of a piston into a rotational motion of a crankshaft and transmits the rotational motion to a transmission. Further, a connecting rod for connecting the piston and the crankshaft, an eccentric member provided so that the central axis of the crank pin and the central axis of the connecting rod large end are eccentric at the large end of the connecting rod, and the eccentric member are integrated with each other A planetary member formed concentrically with the center axis of the crankpin, a rolling member concentrically mounted on the engine body and free to rotate with the center axis of the crankshaft, and inscribed in the planetary member; And a control mechanism capable of controlling the rotation of the rolling member by controlling the amount of power supplied to the first motor as a source, and the control mechanism returns to the first motor for a predetermined period immediately after the start of the expansion stroke. The rapid expansion control is performed to stop the power supply and to make the rolling member free to rotate.

本発明によれば、転動部材の転動範囲に制限がないため、ピストンストローク量を自在に変化させることが可能となり、これにより膨張行程において急速膨張制御を行うことで、冷却損失を低減することができる。   According to the present invention, since the rolling range of the rolling member is not limited, it is possible to freely change the piston stroke amount, thereby reducing the cooling loss by performing the rapid expansion control in the expansion stroke. be able to.

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施形態のピストン−クランク機構の概略構成図であり、(a)は機関前方から見た図、(b)は機関側方から見た図である。1はピストン、2はピストンピン、3はコネクティングロッド、4は偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構、4aは遊星ギア(遊星部材)、4bは偏心ブッシュ(偏心部材)、5はリングギア(転動部材)、6はクランクピン、7はクランクシャフト、8は制御軸、9はモータ(第1モータ)、13は変速機、14は制御ギア、15はリングギア5の回転速度を検出するリングギア回転速度センサである。制御軸8、第1モータ9及び制御ギア14で制御機構を構成する。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a piston-crank mechanism of the present embodiment, where (a) is a view seen from the front of the engine, and (b) is a view seen from the side of the engine. 1 is a piston, 2 is a piston pin, 3 is a connecting rod, 4 is an eccentric bush / planet gear integrated mechanism, 4a is a planetary gear (planet member), 4b is an eccentric bush (eccentric member), and 5 is a ring gear (rolling member). ), 6 is a crankpin, 7 is a crankshaft, 8 is a control shaft, 9 is a motor (first motor), 13 is a transmission, 14 is a control gear, and 15 is a ring gear rotation that detects the rotational speed of the ring gear 5. It is a speed sensor. The control shaft 8, the first motor 9 and the control gear 14 constitute a control mechanism.

なお、図1(a)の破線で示した円はクランクピン6の軌跡である。また、リングギア回転速度センサは、一般的なクランク角センサと同様の手法でリングギア5の回転速度を検出するものである。その他に、図1では省略しているが、一般的なエンジンと同様に、クランクシャフト7の回転速度を検出するクランク角センサも備える。   A circle indicated by a broken line in FIG. The ring gear rotation speed sensor detects the rotation speed of the ring gear 5 in the same manner as a general crank angle sensor. In addition, although omitted in FIG. 1, a crank angle sensor for detecting the rotational speed of the crankshaft 7 is also provided as in a general engine.

ピストン1はピストンピン2を介してコネクティングロッド3と連結されている。コネクティングロッド3の大端部3bには、偏心ブッシュ4bと遊星ギア4aが一体となった偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4が配置され、クランクピン6が偏心ブッシュ4bと遊星ギア4aを貫通している。なお、クランクピン6は遊星ギア4aの中心を貫通する。   The piston 1 is connected to a connecting rod 3 via a piston pin 2. An eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 in which an eccentric bush 4b and a planetary gear 4a are integrated is disposed at the large end 3b of the connecting rod 3, and the crank pin 6 passes through the eccentric bush 4b and the planetary gear 4a. Yes. The crankpin 6 passes through the center of the planetary gear 4a.

遊星ギア4aはクランクシャフト7と同心状に配置されるリングギア5に内接し、外周の歯がリングギア5の内周の歯と噛み合っている。   The planetary gear 4 a is inscribed in a ring gear 5 disposed concentrically with the crankshaft 7, and the outer peripheral teeth mesh with the inner peripheral teeth of the ring gear 5.

リングギア5は機関本体に対して回転自由に設置されている。制御軸8は第1モータ9により回転駆動され、かつ同軸状に嵌合する制御ギア14がリングギア5と噛み合うように設置される。すなわち、リングギア5は、制御軸8を介して第1モータ9により回転駆動、または回転不可能に保持される。なお、制御ギア14は制御軸8の外周部に一体に形成してもよい。   The ring gear 5 is rotatably installed with respect to the engine body. The control shaft 8 is rotationally driven by the first motor 9 and is installed so that the control gear 14 fitted coaxially meshes with the ring gear 5. In other words, the ring gear 5 is held by the first motor 9 via the control shaft 8 so as to be rotationally driven or non-rotatable. The control gear 14 may be formed integrally with the outer peripheral portion of the control shaft 8.

図2は図1(a)と同様に本実施形態のピストン−クランク機構を機関前方から見た図である。   FIG. 2 is a view of the piston-crank mechanism of the present embodiment as viewed from the front of the engine, as in FIG.

クランクシャフト7は図中反時計回りに回転するものとし、その角速度をクランクシャフト角速度ω1とする。遊星ギア4aはクランクシャフト7の回転に伴って移動するが、リングギア5と噛み合っているため、リングギア5が回転せずに固定されている場合にはクランクピン6を中心として図中時計回りに自転しながら移動することとなる。この時の角速度を遊星ギア角速度ω3とする。また、第1モータ9を駆動することで制御軸8を回転させたときの制御軸8の角速度を制御軸角速度ω4とし、リングギア5の角速度をリングギア角速度ω2とする。なお、クランクシャフト角速度ω1は、図示しないクランク角センサにより検知する。   The crankshaft 7 is assumed to rotate counterclockwise in the figure, and its angular velocity is assumed to be a crankshaft angular velocity ω1. The planetary gear 4a moves along with the rotation of the crankshaft 7, but meshes with the ring gear 5, so when the ring gear 5 is fixed without rotating, the crank pin 6 is centered in the clockwise direction in the figure. It will move while spinning. The angular velocity at this time is the planetary gear angular velocity ω3. Further, the angular velocity of the control shaft 8 when the control shaft 8 is rotated by driving the first motor 9 is set as the control shaft angular velocity ω4, and the angular velocity of the ring gear 5 is set as the ring gear angular velocity ω2. The crankshaft angular velocity ω1 is detected by a crank angle sensor (not shown).

図3(a)は、遊星ギア4aとリングギア5の直径の比を1:2、クランクピン6の軌跡の直径と遊星ギア4aの直径の比を1:1、クランクシャフト7が1回転する間に遊星ギア4aが自転を1回行うものとした場合の、ピストン1が1ストロークする間の上記機構の基本的な動作について示した図である。図3(b)はクランクシャフト角速度ω1、リングギア角速度ω2のタイムチャートである。つまり、図3(a)はピストン1の振幅は一定とし、クランクシャフト角速度ω1=一定、リングギア角速度ω2=0としたときの動作を表した図である。なお、遊星ギア4aの自転の様子を理解しやすくするために、遊星ギア4aの外周付近の一箇所に印をつけてある。   In FIG. 3A, the ratio of the diameter of the planetary gear 4a and the ring gear 5 is 1: 2, the ratio of the diameter of the locus of the crankpin 6 to the diameter of the planetary gear 4a is 1: 1, and the crankshaft 7 rotates once. It is the figure which showed about the fundamental operation | movement of the said mechanism while the piston 1 carries out 1 stroke when the planetary gear 4a shall rotate once in the meantime. FIG. 3B is a time chart of the crankshaft angular velocity ω1 and the ring gear angular velocity ω2. That is, FIG. 3A shows the operation when the amplitude of the piston 1 is constant, the crankshaft angular velocity ω1 = constant, and the ring gear angular velocity ω2 = 0. In addition, in order to make it easy to understand the state of rotation of the planetary gear 4a, one place near the outer periphery of the planetary gear 4a is marked.

ピストン1が上死点にあるときには、ピストンピン2、コネクティングロッド大端部3b、クランクピン6、クランクシャフト7のメインジャーナルの各中心が一直線上に並ぶ(図3(a−1))。そこからクランクシャフト7が回転すると、遊星ギア4aはリングギア5と噛み合いながら自転するので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4は図中時計回りに回転することとなり、偏心ブッシュ4bが下降し、ピストン1も下降する(図3(a−2)〜(a−4))。下死点到達後もクランクシャフト7が回転を続け、遊星ギア4aが自転を続けると、ピストン1の動きは上昇に転じ、クランクシャフト7が1回転したときに再び上死点に到達する(図3(a−5)〜(a−8))。   When the piston 1 is at the top dead center, the centers of the main pins of the piston pin 2, the connecting rod large end portion 3b, the crank pin 6, and the crankshaft 7 are aligned in a straight line (FIG. 3 (a-1)). When the crankshaft 7 rotates from there, the planetary gear 4a rotates while meshing with the ring gear 5, so that the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 rotates clockwise in the figure, and the eccentric bush 4b descends, and the piston 1 also descends (FIGS. 3 (a-2) to (a-4)). When the crankshaft 7 continues to rotate after reaching the bottom dead center and the planetary gear 4a continues to rotate, the movement of the piston 1 starts to rise, and when the crankshaft 7 makes one revolution, the top dead center is reached again (see FIG. 3 (a-5) to (a-8)).

このようなピストンストローク中に、コネクティングロッド小端部3aとコネクティングロッド大端部3bとを結ぶ軸線は、シリンダ中心軸と略平行のまま、つまり傾きをほとんど変えることなく上下動する。そのため、コネクティングロッド3は、ピストンピン2を介して伝達される燃焼圧による荷重と、ピストン1の往復動に伴って発生する慣性力等の加振力(変位加振力)とを、シリンダ中心軸と略同一方向で受け止めることとなる。したがって、ピストンスラップやピストン1に対するスラスト荷重が低減される。   During such a piston stroke, the axis connecting the connecting rod small end portion 3a and the connecting rod large end portion 3b moves up and down substantially parallel to the cylinder center axis, that is, with little change in inclination. For this reason, the connecting rod 3 is configured such that the load due to the combustion pressure transmitted through the piston pin 2 and the excitation force (displacement excitation force) such as inertia force generated by the reciprocating motion of the piston 1 It will be received in approximately the same direction as the shaft. Accordingly, the thrust load on the piston slap and the piston 1 is reduced.

また、コネクティングロッド3がほとんど傾きを変えることなく上下動すると、コネクティングロッド3の揺動により発生する慣性力がほとんどなくなるので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4を介してクランクシャフト7に入力される荷重は、シリンダ中心軸に対して傾いた方向の荷重は軽減され、シリンダ中心軸方向の荷重が支配的となる。すなわち、機関運転中にクランクシャフト7を加振する荷重の入力方向は主にシリンダ中心軸方向となる。   Further, when the connecting rod 3 moves up and down almost without changing its inclination, the inertial force generated by the swinging of the connecting rod 3 is almost eliminated, so that the connecting rod 3 is inputted to the crankshaft 7 via the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4. As for the load, the load in the direction inclined with respect to the cylinder central axis is reduced, and the load in the cylinder central axis direction becomes dominant. That is, the input direction of the load for exciting the crankshaft 7 during engine operation is mainly the cylinder center axis direction.

したがって、機関運転中にコネクティングロッド3が揺動する場合と比べて、軽いカウンターウェイトでもクランクシャフト7の振動を抑制することが可能となる。また、カウンターウェイトが軽くなると、クランクピン6の径やクランクシャフト7のメインジャーナル径等を小径化することも可能となる。   Therefore, it is possible to suppress the vibration of the crankshaft 7 even with a light counterweight, compared to the case where the connecting rod 3 swings during engine operation. Further, when the counterweight is lightened, the diameter of the crankpin 6 and the diameter of the main journal of the crankshaft 7 can be reduced.

さらに、コネクティングロッド3の揺動により発生する慣性力が低減した分だけ、クランクシャフト7を介してエンジン全体に入力される荷重が低減するため、エンジンから車体への入力荷重も低減される。これにより、乗り心地や運転性が向上するという効果も得られる。   Further, since the load input to the entire engine via the crankshaft 7 is reduced by the amount that the inertia force generated by the swinging of the connecting rod 3 is reduced, the input load from the engine to the vehicle body is also reduced. Thereby, the effect that riding comfort and drivability improve is also acquired.

図4は、1サイクル中にピストンモーションを変更する場合の動作について示した図であり、膨張行程開始からピストン1が下降していく様子を(a)から(h)まで順に示している。なお、クランクシャフト7は一定のクランクシャフト角速度ω1で回転しているものとする。   FIG. 4 is a diagram showing the operation when the piston motion is changed during one cycle, and sequentially shows the manner in which the piston 1 descends from the start of the expansion stroke from (a) to (h). It is assumed that the crankshaft 7 is rotating at a constant crankshaft angular velocity ω1.

膨張行程開始後にピストン1が所定の位置(図4(b))まで下降したら、第1モータ9への電力供給を停止して制御軸8を回転自由な状態にする。ピストン1が下降する際、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4には、ピストン1が受ける燃焼圧がコネクティングロッド3を介して、偏心ブッシュ4bをクランクピン6まわりに回転させる力、つまり遊星ギア4aを図中時計回りに自転させる力として作用する。ここで、制御軸8が回転不可能な状態であれば、図3(a)と同様に、遊星ギア4aはクランクピン6の移動とともにリングギア5と噛みあいながらクランクピン6まわりに回転することとなる。しかし、制御軸8が回転自由な状態になっているため、遊星ギア4aに上述した自転させる力が作用するとリングギア5が回転する。このため、遊星ギア4aはクランクピン6が移動しなくても、クランクピン6まわりに自転することができる。そして、リングギア5が回転すると、これと噛みあう制御軸8も回転することになるので、第1モータ9で発電することが可能となる。   When the piston 1 descends to a predetermined position (FIG. 4B) after the expansion stroke starts, the power supply to the first motor 9 is stopped and the control shaft 8 is allowed to rotate freely. When the piston 1 descends, the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 receives a force that causes the combustion pressure received by the piston 1 to rotate the eccentric bush 4b around the crankpin 6 via the connecting rod 3, that is, the planetary gear 4a. Acts as a force to rotate clockwise in the figure. Here, if the control shaft 8 cannot rotate, the planetary gear 4a rotates around the crank pin 6 while meshing with the ring gear 5 as the crank pin 6 moves, as in FIG. It becomes. However, since the control shaft 8 is in a freely rotatable state, the ring gear 5 rotates when the above-described rotating force acts on the planetary gear 4a. For this reason, the planetary gear 4a can rotate around the crankpin 6 even if the crankpin 6 does not move. When the ring gear 5 rotates, the control shaft 8 that meshes with the ring gear 5 also rotates, so that the first motor 9 can generate power.

また、制御軸8及びリングギア5を回転自由にした後の図4(c)〜(e)では、クランクピン6の位置がほとんど変わっていないにもかかわらず、ピストン1の位置は下降している。クランクシャフト角速度ω1が一定であることを考慮すると、短時間でピストン1が下降していることがわかる。   Further, in FIGS. 4C to 4E after the control shaft 8 and the ring gear 5 are freely rotated, the position of the piston 1 is lowered despite the fact that the position of the crank pin 6 has hardly changed. Yes. Considering that the crankshaft angular velocity ω1 is constant, it can be seen that the piston 1 is lowered in a short time.

図5は、図3(a)に示したピストンモーション(以下、通常のピストンモーションという)と、制御軸8及びリングギア5を回転自由にした場合(以下、急速膨張制御という)のピストンモーションとを比較した図である。横軸はクランク角(ゼロ度が圧縮上死点、180度が膨張下死点)、縦軸はピストン位置であり、実線が急速膨張制御を行った場合のピストンモーション、破線が通常のピストンモーションを示している。   FIG. 5 shows the piston motion shown in FIG. 3A (hereinafter referred to as normal piston motion) and the piston motion when the control shaft 8 and the ring gear 5 are freely rotatable (hereinafter referred to as rapid expansion control). FIG. The horizontal axis is the crank angle (zero degrees is compression top dead center, 180 degrees is expansion bottom dead center), the vertical axis is the piston position, the solid line is the piston motion when rapid expansion control is performed, the broken line is the normal piston motion Is shown.

膨張行程開始後は通常のピストンモーションと急速膨張制御は同様のピストンモーションであるが、図4(b)の時点に相当するCA1から急速膨張制御の方が、ピストン1の下降速度が大きくなる。なお、CA2から膨張下死点までは、CA1〜CA2間と比べて下降速度が減少しているが、これについては後述する。   After the expansion stroke starts, normal piston motion and rapid expansion control are similar piston motions, but the rapid expansion control from CA1 corresponding to the time point of FIG. In addition, although the descent | fall speed | velocity | rate has decreased compared with between CA1-CA2 from CA2 to an expansion bottom dead center, this is mentioned later.

図6は、急速膨張制御を行った場合の遊星ギア4a、リングギア5、及びクランクシャフト7の角速度の変化を示すタイムチャートである。   FIG. 6 is a time chart showing changes in the angular velocities of the planetary gear 4a, the ring gear 5, and the crankshaft 7 when the rapid expansion control is performed.

膨張行程が始まるt0以前は、遊星ギア角速度ω3、リングギア角速度ω2、クランクシャフト角速度ω1はいずれも一定値である。   Prior to t0 when the expansion stroke starts, the planetary gear angular velocity ω3, the ring gear angular velocity ω2, and the crankshaft angular velocity ω1 are all constant values.

膨張行程開始直後のt1(図5のCA1に相当する)で制御軸8を回転自由にすると、リングギア5が回転自由になるので、遊星ギア4aは上述した力に応じてクランクピン6回りに自転し、リングギア5も遊星ギア4aの回転に伴って回転するので、遊星ギア角速度ω3及びリングギア角速度ω2は増大している。   When the control shaft 8 is free to rotate at t1 (corresponding to CA1 in FIG. 5) immediately after the start of the expansion stroke, the ring gear 5 becomes free to rotate, so that the planetary gear 4a rotates around the crankpin 6 according to the above-described force. Since the ring gear 5 rotates as the planetary gear 4a rotates, the planetary gear angular velocity ω3 and the ring gear angular velocity ω2 increase.

このとき、リングギア5が回転することにより制御軸8も回転するので、第1モータ9により発電可能となる。すなわち、クランクシャフト7から動力を取り出しつつ、一般的な機関では理論効率よりも低い効率で運転している際に、種々の損失エネルギとして失っているエネルギを電力として回収することが可能となる。   At this time, as the ring gear 5 rotates, the control shaft 8 also rotates, so that the first motor 9 can generate power. That is, while taking out the power from the crankshaft 7, when operating at a lower efficiency than the theoretical efficiency in a general engine, it is possible to recover the energy lost as various lost energy as electric power.

ピストン1が所定量下降したt2(図5のCA2に相当する)以降は、第1モータ9に電力を供給して制御軸8を駆動し、リングギア角速度ω2を低下させる。これにより、図5のCA2以降はCA2以前に比べてピストン1の下降速度が低下する。なお、ここでの所定量は、例えばピストンストロークの半分以上とする。   After t2 (corresponding to CA2 in FIG. 5) when the piston 1 is lowered by a predetermined amount, power is supplied to the first motor 9 to drive the control shaft 8, and the ring gear angular velocity ω2 is lowered. Accordingly, the lowering speed of the piston 1 is lower after CA2 in FIG. 5 than before CA2. Note that the predetermined amount here is, for example, half or more of the piston stroke.

そして、リングギア角速度ω2は負になるまで、つまりリングギア5が図中反時計回りに回転するまで低下させる(t3〜t4間)。このとき、遊星ギア角速度ω3が略ゼロまで低下したら、リングギア角速度ω2は略一定となるように制御する。これにより、図5のCA1〜CA2間でクランクシャフト7がほとんど回転しない状態でピストン1が下降することによって生じた、遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相のずれが解消される。   Then, the ring gear angular velocity ω2 is decreased until it becomes negative, that is, until the ring gear 5 rotates counterclockwise in the figure (between t3 and t4). At this time, if the planetary gear angular velocity ω3 decreases to substantially zero, the ring gear angular velocity ω2 is controlled to be substantially constant. Thus, the phase shift between the position of the planetary gear 4a relative to the crankshaft 7 and the piston position caused by the piston 1 descending while the crankshaft 7 hardly rotates between CA1 and CA2 in FIG. 5 is eliminated. .

当該位相のずれが解消したら(図6のt4)、リングギア5が回転しないよう制御軸8を固定する。これにより、遊星ギア角速度ω3は急速膨張制御開始前と同等になる。なお、クランクシャフト角速度ω1が一定の場合について説明したが、必ずしも一定である必要はない。例えば急速膨張制御中にクランクシャフト角速度ω1が増大した場合には、当該位相のずれを解消する際に、クランクシャフト角速度ω1が増大した分だけt3〜t4間を短くすればよい。   When the phase shift is eliminated (t4 in FIG. 6), the control shaft 8 is fixed so that the ring gear 5 does not rotate. Thereby, the planetary gear angular velocity ω3 becomes equal to that before the start of the rapid expansion control. In addition, although the case where the crankshaft angular velocity ω1 is constant has been described, it is not always necessary to be constant. For example, when the crankshaft angular velocity ω1 is increased during the rapid expansion control, the period between t3 and t4 may be shortened by an amount corresponding to the increase in the crankshaft angular velocity ω1 when eliminating the phase shift.

ところで、図1のピストン−クランク機構では、クランクシャフト7が回転していながらもピストン位置が変化しない、いわゆる気筒休止制御を行うことができる。図7(a)〜(c)は気筒休止制御について説明するための図である。   Incidentally, in the piston-crank mechanism of FIG. 1, so-called cylinder deactivation control can be performed in which the piston position does not change while the crankshaft 7 is rotating. FIGS. 7A to 7C are diagrams for explaining cylinder deactivation control.

図7(a)は、ピストン1の振幅を変化させる場合の、コネクティングロッド3や偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4等の動作の一例について示した図であり、(i)は上死点位置を示し、(ii)〜(iv)はそこからクランクシャフト7が回転した状態を示している。図7(b)は、このときのクランクシャフト角速度ω1、リングギア角速度ω2のタイムチャート、図7(c)はピストン位置の変化を表すタイムチャートである。なお、図7(a)の(i)は図7(b)、(c)のt1の時点、同じく(iii)はt2の時点のそれぞれの状態を示している。なお、t2はピストン1が振幅の略中間まで下降した時点である。   FIG. 7A is a diagram showing an example of the operation of the connecting rod 3, the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 and the like when the amplitude of the piston 1 is changed, and (i) shows the top dead center position. (Ii) to (iv) show a state in which the crankshaft 7 is rotated therefrom. FIG. 7B is a time chart of the crankshaft angular velocity ω1 and the ring gear angular velocity ω2 at this time, and FIG. 7C is a time chart showing changes in the piston position. Note that (i) in FIG. 7 (a) shows the state at time t1 in FIGS. 7 (b) and 7 (c), and (iii) shows the state at time t2. Note that t2 is the time when the piston 1 is lowered to approximately the middle of the amplitude.

ピストン1が図7(a)の(iii)の位置まで下降したとき、つまり図7(b)、(c)のt2の時点で第1モータ9の駆動を開始して制御軸8を図中時計回りに回転させ、これによりリングギア5を図中反時計回りに回転させる。なお、ピストン1の位置の検出は図示しないクランク角センサにより行い、制御軸8の回転速度は、リングギア回転速度センサ15及びクランク角センサの検出値に基づいて設定する。また、t2をピストン1が振幅の中間に達する直前としたのは、制御遅れ時間を考慮したためである。   When the piston 1 is lowered to the position (iii) in FIG. 7 (a), that is, at the time t2 in FIGS. 7 (b) and 7 (c), the driving of the first motor 9 is started and the control shaft 8 is shown in the drawing. The ring gear 5 is rotated counterclockwise in the figure by rotating clockwise. The position of the piston 1 is detected by a crank angle sensor (not shown), and the rotational speed of the control shaft 8 is set based on detection values of the ring gear rotational speed sensor 15 and the crank angle sensor. The reason why t2 is set immediately before the piston 1 reaches the middle of the amplitude is that the control delay time is taken into consideration.

このとき、t2以降は図7(b)に示すようにリングギア角速度ω2がクランクシャフト角速度ω1と等しくなるようにすると、遊星ギア4aはリングギア5と常に同一点が噛み合ったまま、遊星ギア角速度ω3=0の状態でクランクシャフト7の回転軸まわりに回転する。そして、このときコネクティングロッド大端部3bの中心はクランクシャフト7の回転軸と略一致しているので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4は、偏心ブッシュ4bのクランクシャフト7の回転軸近傍を中心として回転する。そのため、図7(c)に示すように、クランクシャフト7が回転してもピストン1の位置はほとんど変化しなくなり、いわゆる気筒休止状態となる。なお、リングギア5を回転させたときのピストン1の振幅は、リングギア角速度ω2とクランクシャフト角速度ω1との比によって決まる。したがって、リングギア角速度ω2とクランクシャフト角速度ω1の比率を変化させることにより、気筒休止だけでなく、任意の振幅を設定することができる。   At this time, when the ring gear angular velocity ω2 is made equal to the crankshaft angular velocity ω1, as shown in FIG. It rotates around the rotation axis of the crankshaft 7 in the state of ω3 = 0. At this time, the center of the connecting rod large end 3b is substantially coincident with the rotation axis of the crankshaft 7, so the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 is centered around the rotation axis of the crankshaft 7 of the eccentric bush 4b. Rotate as Therefore, as shown in FIG. 7C, the position of the piston 1 hardly changes even when the crankshaft 7 rotates, and a so-called cylinder deactivation state is brought about. The amplitude of the piston 1 when the ring gear 5 is rotated is determined by the ratio between the ring gear angular velocity ω2 and the crankshaft angular velocity ω1. Therefore, by changing the ratio between the ring gear angular velocity ω2 and the crankshaft angular velocity ω1, it is possible to set not only the cylinder deactivation but also an arbitrary amplitude.

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
(1)ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関において、ピストン1とクランクシャフト7とを連接するコネクティングロッド3と、コネクティングロッド大端部3bにクランクピン6の中心軸とコネクティングロッド大端部3bの中心軸とが偏心するよう設けられた偏心ブッシュ4bと、偏心ブッシュ4bと一体に形成されクランクピン6の中心軸と同心状に設けられた遊星ギア4aと、機関本体にクランクシャフト7の中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ遊星ギア4aと内接するリングギア5と、第1モータ9への動力の供給量を制御することによりリングギア5の回転を制御可能な制御機構と、を備え、制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は第1モータ9への動力供給を停止してリングギア5を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なうので、膨張時における冷却損失を低減することができる。
(2)急速膨張制御の実行中に、リングギア5の回転に伴って回転する第1モータ9によりエネルギ回生を行うので、エンジンが理論効率の低い運転条件で運転している場合に、従来は損失エネルギとして損失していたエネルギを電力として回収することが可能となり、システム全体でのエネルギ効率を向上させ、燃費を改善することができる。
As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In an internal combustion engine having a piston-crank mechanism that converts a reciprocating motion of a piston into a rotational motion of a crankshaft and transmits it to a transmission, a connecting rod 3 that connects the piston 1 and the crankshaft 7 and a large connecting rod An eccentric bush 4b provided at the end 3b so that the central axis of the crank pin 6 and the central axis of the connecting rod large end 3b are eccentric, and the eccentric bush 4b are formed integrally with the central axis of the crank pin 6. The planetary gear 4a provided on the engine body, the ring gear 5 concentric with the center axis of the crankshaft 7 on the engine body and rotatably mounted, and inscribed in the planetary gear 4a, and the amount of power supplied to the first motor 9 And a control mechanism capable of controlling the rotation of the ring gear 5 by controlling the rotation of the ring gear 5 immediately after the expansion stroke starts. Since regular inter performs rapid expansion control to the rotation free state the ring gear 5 by stopping the power supply to the first motor 9, it is possible to reduce the cooling loss during inflation.
(2) Since energy regeneration is performed by the first motor 9 that rotates with the rotation of the ring gear 5 during execution of the rapid expansion control, when the engine is operating under operating conditions with low theoretical efficiency, Energy that has been lost as lost energy can be recovered as electric power, energy efficiency in the entire system can be improved, and fuel consumption can be improved.

第2実施形態について説明する。   A second embodiment will be described.

図8は図1に示したピストン−クランク機構を備えるエンジンの構成を示す図であり、20はシリンダヘッド、21はシリンダブロック、22は吸気ポート、23は排気ポート、24は吸気バルブ、25は排気バルブ、26は点火栓、27は燃料噴射弁、28は燃焼室である。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an engine including the piston-crank mechanism shown in FIG. 1, wherein 20 is a cylinder head, 21 is a cylinder block, 22 is an intake port, 23 is an exhaust port, 24 is an intake valve, and 25 is An exhaust valve, 26 is a spark plug, 27 is a fuel injection valve, and 28 is a combustion chamber.

シリンダヘッド20には、下面に設けた燃焼室28とシリンダヘッド20の一方の側面とを連通する吸気ポート22と、燃焼室28とシリンダヘッド20の他方の側面とを連通する排気ポート23とを設け、それぞれの燃焼室28側の開口部には、図示しない吸気カムシャフト及び排気カムシャフトにより開閉駆動される吸気バルブ24及び排気バルブ25を配置する。点火栓26及び燃料噴射弁27は燃焼室28に臨むように配置する。   The cylinder head 20 includes an intake port 22 that communicates a combustion chamber 28 provided on the lower surface with one side surface of the cylinder head 20, and an exhaust port 23 that communicates the combustion chamber 28 with the other side surface of the cylinder head 20. An intake valve 24 and an exhaust valve 25 that are driven to open and close by an intake camshaft and an exhaust camshaft (not shown) are disposed in the openings on the respective combustion chambers 28 side. The spark plug 26 and the fuel injection valve 27 are arranged so as to face the combustion chamber 28.

図9は、各気筒が図8のような構成となっている直列4気筒エンジンの概略構成図(側面図)である。なお、ピストン1、コネクティングロッド3、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構4及びシリンダヘッド20は省略している。   FIG. 9 is a schematic configuration diagram (side view) of an in-line four-cylinder engine in which each cylinder is configured as shown in FIG. Note that the piston 1, the connecting rod 3, the eccentric bush / planet gear integrated mechanism 4 and the cylinder head 20 are omitted.

第1気筒から第4気筒の各気筒は図1に示したピストン−クランク機構を備えるが、制御軸8は第2気筒及び第3気筒用の制御軸8aと、第1気筒及び第4気筒用の制御軸8bの2本を備え、第1モータ9も同様に第1モータ9a及び第1モータ9bの2つを備える。また、クランクシャフト7と変速機13との間に第2モータ30を介装する。   Each of the first to fourth cylinders includes the piston-crank mechanism shown in FIG. 1, but the control shaft 8 is for the second and third cylinders, and the first and fourth cylinders are used. The first motor 9 is similarly provided with two of the first motor 9a and the first motor 9b. A second motor 30 is interposed between the crankshaft 7 and the transmission 13.

このような構成にすることで、第1気筒及び第4気筒と第2気筒及び第3気筒とを異なるピストンモーションに制御することが可能となる。例えば、第1気筒及び第4気筒、または第2気筒及び第3気筒のいずれか一方のみを選択的に急速膨張制御したり、気筒休止させることができる。なお、直列4気筒エンジンに限らず、例えばV型8気筒エンジンについて、左バンク用と右バンク用に制御軸8を2本備える構成とすれば、一方のバンクの気筒を選択的に気筒休止させることも可能である。   With such a configuration, the first and fourth cylinders and the second and third cylinders can be controlled to different piston motions. For example, only one of the first cylinder and the fourth cylinder, or the second cylinder and the third cylinder can be selectively subjected to rapid expansion control or can be deactivated. For example, in a V-type 8-cylinder engine as well as an in-line 4-cylinder engine, if two control shafts 8 are provided for the left bank and the right bank, the cylinders in one bank are selectively deactivated. It is also possible.

次に、図9の構成により可能となる、運転領域ごとのピストンモーションの制御について説明する。   Next, the piston motion control for each operation region, which is possible with the configuration of FIG. 9, will be described.

図10は、HCCI燃焼(予混合圧縮自己着火)を行うエンジンの一般的な運転領域マップである。   FIG. 10 is a general operation region map of an engine that performs HCCI combustion (premixed compression self-ignition).

HCCI燃焼とは、通常は火花点火を主体とするエンジンにおいて、圧縮行程前に燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮により自己着火させる燃焼方式である。これによれば、燃焼室内の燃料全体がほぼ同時に着火するので、空燃比の大幅なリーン化や大量のEGRガス導入による燃料の希釈率が非常に大きい条件でも燃焼することが可能であり、燃費の低減と排出物質の低減を同時に実現することが可能である。   HCCI combustion is a combustion system in which an air-fuel mixture is formed in a combustion chamber before a compression stroke and is self-ignited by compression in an engine mainly using spark ignition. According to this, since the entire fuel in the combustion chamber is ignited almost simultaneously, it can be burned even under a condition where the air-fuel ratio is greatly leaned and the dilution ratio of the fuel by introducing a large amount of EGR gas is very large. It is possible to simultaneously reduce the emissions and emissions.

しかし、燃焼室内の燃料気全体がほぼ同時に着火するため、急激な熱発生による急峻な圧力上昇を伴う。このため、機関負荷が高くなると、最大圧力が上昇することとなり、部品強度の確保のために重量が増加してしまうという問題や、燃焼騒音が悪化するという問題が生じる。また、HCCI燃焼では、燃料の点火を化学反応に頼っているため、機関回転速度が上昇して1サイクルの実時間が短くなると、反応が十分に進行する前にピストン1が下降してしまい、失火するおそれがある。   However, since the entire fuel gas in the combustion chamber is ignited almost at the same time, there is a steep pressure increase due to a sudden heat generation. For this reason, when the engine load becomes high, the maximum pressure rises, and there arises a problem that the weight increases for securing the component strength and a problem that the combustion noise deteriorates. In HCCI combustion, since the ignition of the fuel relies on a chemical reaction, if the engine speed increases and the actual time of one cycle is shortened, the piston 1 descends before the reaction proceeds sufficiently, There is a risk of misfire.

このような問題があるために、HCCI燃焼可能な運転領域には制限があり、図10に示すように、低負荷・低回転領域でHCCI燃焼を行い、高回転領域と高負荷領域では火花点火を行うのが一般的である。   Due to such problems, there is a limit to the operation range in which HCCI combustion is possible. As shown in FIG. 10, HCCI combustion is performed in a low load / low rotation region, and spark ignition is performed in a high rotation region and a high load region. It is common to do.

図11は、図1、図8及び図9に示す構成のエンジンでHCCI燃焼を行う本実施形態の運転領域マップである。   FIG. 11 is an operation region map of this embodiment in which HCCI combustion is performed by the engine having the configuration shown in FIGS. 1, 8, and 9.

低負荷・低回転領域では、HCCI燃焼を行う。このとき、膨張行程においては、上述した急速膨張制御を行う。これにより、第1モータ9によるエネルギの回生を行うとともに、冷却損失を低減して熱効率を向上させることができる。   HCCI combustion is performed in the low load / low rotation range. At this time, the rapid expansion control described above is performed in the expansion stroke. As a result, energy regeneration by the first motor 9 can be performed, and cooling efficiency can be reduced to improve thermal efficiency.

低負荷・高回転領域においても、HCCI燃焼を行う。このとき、上述した失火のおそれを解消するために、膨張行程において次のような制御を行う。   HCCI combustion is performed even in a low load / high rotation range. At this time, in order to eliminate the fear of misfire described above, the following control is performed in the expansion stroke.

図12は、低負荷・高回転領域の膨張行程で実行する制御によるクランクシャフト角速度ω1、リングギア角速度ω2及び遊星ギア角速度ω3の変化を示す図である。なお、ここではクランクシャフト角速度ω1が一定の場合について説明する。   FIG. 12 is a diagram showing changes in the crankshaft angular velocity ω1, the ring gear angular velocity ω2, and the planetary gear angular velocity ω3 by the control executed in the expansion stroke in the low load / high rotation region. Here, the case where the crankshaft angular velocity ω1 is constant will be described.

膨張開始(圧縮上死点)をt0とすると、t0の直前からリングギア5を図1中の反時計回りに回転させることにより、遊星ギア角速度ω3を低下させる。これにより、偏心ブッシュ4bのクランクピン6回りの回転速度が低下する分だけピストン1の下降速度が低下する。ピストン1が所定の高さまで下降したt1となったら、急速膨張制御と同様にリングギア5を回転自由にすることによって遊星ギア角速度ω3を上昇させ、遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相のずれを解消し、このずれが解消したt2となったら再び第1モータ9を駆動してリングギア角速度ω2をゼロにする。   Assuming that the start of expansion (compression top dead center) is t0, the planetary gear angular velocity ω3 is decreased by rotating the ring gear 5 counterclockwise in FIG. 1 immediately before t0. As a result, the lowering speed of the piston 1 is reduced by the amount that the rotational speed of the eccentric bush 4b around the crank pin 6 is reduced. When the piston 1 reaches the predetermined height t1, the planetary gear angular velocity ω3 is increased by making the ring gear 5 freely rotatable as in the rapid expansion control, and the position of the planetary gear 4a relative to the crankshaft 7 and the piston position. The phase shift is eliminated, and when t2 is reached, the first motor 9 is driven again to make the ring gear angular velocity ω2 zero.

この制御(以下、緩慢膨張制御という)を行うことにより、圧縮上死点近傍から膨張行程前半においてピストン1の下降速度が低下し、これにより化学反応が進行して着火に必要な時間だけ高温・高圧場を保持することができるので、着火性が安定する。このため、HCCI燃焼が可能となる。なお、t1からは急速膨張となるが、燃料全体が着火した後であれば問題がない。そこで、t0〜t1間の長さはエンジン回転速度及び着火に必要な時間に応じて設定する。   By performing this control (hereinafter referred to as slow expansion control), the lowering speed of the piston 1 is reduced from the vicinity of the compression top dead center in the first half of the expansion stroke, whereby the chemical reaction proceeds and the temperature is increased for the time required for ignition. Since a high pressure field can be maintained, ignitability is stabilized. For this reason, HCCI combustion becomes possible. Although rapid expansion starts from t1, there is no problem as long as the entire fuel is ignited. Therefore, the length between t0 and t1 is set according to the engine speed and the time required for ignition.

高負荷・低回転領域では、上述した急激な圧力上昇や燃焼騒音の悪化等の問題によりHCCI燃焼を行うことができない。特に、部品強度を重量増なしに実現することは、現在の技術とコストに照らし合わせると困難である。したがって、当該領域では通常の火花点火燃焼を実施し、負荷に応じて燃料の希釈率を逐次変化させる。   In the high load / low rotation range, HCCI combustion cannot be performed due to the above-mentioned problems such as rapid pressure rise and deterioration of combustion noise. In particular, it is difficult to realize the component strength without increasing the weight in light of the current technology and cost. Therefore, in this region, normal spark ignition combustion is performed, and the fuel dilution rate is sequentially changed according to the load.

ところで、負荷の増大とともに1サイクルに噴射する燃料量は増大する。このとき、点火時期までに燃料と空気とを均質に混合する必要があるが、燃料量の増大と共に均質に混合することが困難になる。吸気ポート22の形状や吸気バルブ24の開閉時期制御により燃焼室28内にガス流動による乱れを生成させて燃料と空気との混合を促進させることができるが、圧縮上死点近傍ではこのガス流動による乱れは減衰してしまう。そこで、次のような制御を行う。   By the way, as the load increases, the amount of fuel injected in one cycle increases. At this time, it is necessary to uniformly mix the fuel and air by the ignition timing, but it becomes difficult to mix homogeneously as the amount of fuel increases. By controlling the shape of the intake port 22 and the opening / closing timing of the intake valve 24, turbulence due to gas flow can be generated in the combustion chamber 28 to promote mixing of fuel and air. Disturbance due to will attenuate. Therefore, the following control is performed.

図13は、高負荷・低回転領域の圧縮行程及び膨張行程で実行する制御によるクランクシャフト角速度ω1、リングギア角速度ω2及び遊星ギア角速度ω3の変化を示す図である。なお、ここではクランクシャフト角速度ω1が一定の場合について説明する。   FIG. 13 is a diagram showing changes in the crankshaft angular velocity ω1, the ring gear angular velocity ω2, and the planetary gear angular velocity ω3 by the control executed in the compression stroke and the expansion stroke in the high load / low rotation range. Here, the case where the crankshaft angular velocity ω1 is constant will be described.

吸気下死点t0から所定時間経過後のt1で、リングギア5を図1中で反時計回りに回転させて、遊星ギア角速度ω3を略ゼロまで低下させる。これは、後述するように圧縮行程後半で急速圧縮制御を行うので、圧縮上死点で遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相が揃うように、予め当該位相のずれを作るためである。   At t1 after the elapse of a predetermined time from the intake bottom dead center t0, the ring gear 5 is rotated counterclockwise in FIG. 1 to reduce the planetary gear angular velocity ω3 to substantially zero. This is because rapid compression control is performed in the latter half of the compression stroke as will be described later, so that the phase shift is made in advance so that the phase of the planet gear 4a relative to the crankshaft 7 and the phase of the piston position are aligned at the compression top dead center. It is.

この状態を維持したまま、t2になったら膨張行程開始後のt3までリングギア5を回転自由な状態にする。これにより急速膨張制御時と同様に遊星ギア角速度ω3は増大し、ピストン1の上昇速度が増大するので、前述した燃焼室28内の乱れの減衰を抑制することができる。なお、t2は燃料と空気との混合に必要な時間を確保できるように、燃料噴射量と回転速度に応じて設定する。   While maintaining this state, when t2 is reached, the ring gear 5 is allowed to rotate freely until t3 after the expansion stroke starts. As a result, the planetary gear angular velocity ω3 increases and the rising speed of the piston 1 increases as in the case of the rapid expansion control, so that the above-described attenuation of the turbulence in the combustion chamber 28 can be suppressed. Note that t2 is set according to the fuel injection amount and the rotational speed so as to ensure the time required for mixing the fuel and air.

また、t1はt2に応じて、つまり急速圧縮を行う期間に応じて、急速圧縮後に遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相が揃うように設定する。   Further, t1 is set so that the phase of the planet gear 4a with respect to the crankshaft 7 and the phase of the piston position are aligned after rapid compression according to t2, that is, according to the period during which rapid compression is performed.

膨張行程は、急速膨張制御を行う。圧縮上死点ですでにリングギア角速度ω2及び遊星ギア角速度ω3が高くなっていること以外は図6に示した制御と同様の制御を行う。なお、図13のt3が図6のt2に相当する。   In the expansion stroke, rapid expansion control is performed. Control similar to the control shown in FIG. 6 is performed except that the ring gear angular velocity ω2 and the planetary gear angular velocity ω3 are already high at the compression top dead center. Note that t3 in FIG. 13 corresponds to t2 in FIG.

このように、圧縮行程の後半においてピストン1の上昇速度を高めることにより、筒内の乱れを維持し、燃料と空気との混合を促進することができる。一方、膨張行程においては急速膨張制御を行うことにより、冷却損失を低減するとともに、ノッキングを防止し、また、NOxの生成も抑制することができる。   Thus, by increasing the rising speed of the piston 1 in the latter half of the compression stroke, it is possible to maintain the turbulence in the cylinder and promote the mixing of fuel and air. On the other hand, by performing rapid expansion control in the expansion stroke, it is possible to reduce cooling loss, prevent knocking, and suppress generation of NOx.

なお、急速圧縮制御及び急速膨張制御を行うためには、図9に示した構成のように、第1気筒及び第4気筒と第2気筒及び第3気筒とを別々に制御可能でなければならない。例えば直列4気筒エンジンの場合には、第1気筒が膨張行程のときに第3気筒は圧縮行程となる。このため、1本の制御軸8で全気筒のリングギア5を制御する場合には、第1気筒で急速膨張制御を行うと、第3気筒では圧縮行程前半でも急速圧縮することなり、圧縮行程終了時に前記位相のずれが解消しなくなる。同様に、第1気筒で急速圧縮制御を行うと、第3気筒では膨張行程後半でも急速膨張することとなり、膨張行程終了時に前記位相のずれが解消しなくなる。これに対して、図9の構成によれば第1気筒及び第4気筒と第2気筒及び第3気筒とを別々に制御可能なので、このような問題は生じない。   In order to perform rapid compression control and rapid expansion control, the first cylinder, the fourth cylinder, the second cylinder, and the third cylinder must be separately controllable as in the configuration shown in FIG. . For example, in the case of an in-line four-cylinder engine, the third cylinder is in the compression stroke when the first cylinder is in the expansion stroke. For this reason, when the ring gears 5 of all cylinders are controlled by the single control shaft 8, if the rapid expansion control is performed in the first cylinder, the third cylinder is rapidly compressed even in the first half of the compression stroke. At the end, the phase shift does not disappear. Similarly, when rapid compression control is performed in the first cylinder, the third cylinder rapidly expands even in the latter half of the expansion stroke, and the phase shift is not eliminated at the end of the expansion stroke. On the other hand, according to the configuration of FIG. 9, the first cylinder, the fourth cylinder, the second cylinder, and the third cylinder can be controlled separately, so that such a problem does not occur.

高負荷・高回転領域では、図3に示した通常のピストンモーションで、火花点火を行う。なお、クランクシャフト7に第2モータ30を備えるので、例えば第2モータ30に負荷を与えることにより、トルク変動幅を低減し、運動性能を向上することができる。   In the high load / high rotation region, spark ignition is performed by the normal piston motion shown in FIG. Since the crankshaft 7 includes the second motor 30, for example, by applying a load to the second motor 30, the torque fluctuation range can be reduced and the exercise performance can be improved.

以上により本実施形態では、第1実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the first embodiment.

(1)低負荷・低回転領域では急速膨張制御を行うので、冷却損失を低減することができる。   (1) Since rapid expansion control is performed in a low load / low rotation region, cooling loss can be reduced.

(2)高負荷・低回転領域では急速膨張制御に加えて、少なくとも圧縮行程後半に急速圧縮制御を行なうので、圧縮上死点近傍まで筒内のガス流動の乱れを維持し、燃料と空気との混合を促進させることができる。   (2) In addition to rapid expansion control in the high load / low rotation region, rapid compression control is performed at least in the second half of the compression stroke, so that the turbulence of the gas flow in the cylinder is maintained up to the vicinity of the compression top dead center. Can be mixed.

(3)低負荷・高回転領域で、膨張行程開始直後からの所定期間は緩慢膨張制御を行うので、筒内が高温・高圧場となる時間を相対的に長くすることができ、これにより燃料が着火に至るまでの時間を確保することができる。   (3) Since the slow expansion control is performed for a predetermined period immediately after the start of the expansion stroke in the low load / high rotation region, the time during which the cylinder is in a high temperature / high pressure field can be made relatively long. It is possible to secure time until the ignition starts.

(4)高負荷領域では火花点火による燃焼を行い、低負荷領域ではHCCI燃焼を行うので、高負荷時にはノッキングの防止及びNOx生成量の低減が可能となり、低負荷時には、HCCI燃焼による高希釈率での運転が可能となる。特に、高回転・低負荷時に緩慢膨張制御を行うことにより、圧縮自己着火に必要な時間を確保することができるので、HCCI燃焼可能領域を従来よりも高回転側まで拡げることができる。   (4) Since combustion is performed by spark ignition in the high load region and HCCI combustion is performed in the low load region, knocking can be prevented and the amount of NOx generated can be reduced at high loads, and a high dilution rate by HCCI combustion can be achieved at low loads. It becomes possible to drive at. In particular, by performing slow expansion control during high rotation and low load, the time required for compression self-ignition can be secured, so that the HCCI combustible region can be expanded to a higher rotation side than before.

(5)急速膨張制御、急速圧縮制御または緩慢膨張制御により生じる遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相のずれを解消するために、当該制御を行った行程中に、位相のずれの大きさに応じてリングギア5を当該制御中のリングギア5の回転方向とは反対方向に回転させるので、1サイクル中の各行程終了時には遊星ギア4aのクランクシャフト7に対する位置とピストン位置の位相が揃う。   (5) In order to eliminate the phase shift between the position of the planetary gear 4a with respect to the crankshaft 7 and the piston position caused by the rapid expansion control, the rapid compression control, or the slow expansion control, the phase shift is performed during the stroke in which the control is performed. The ring gear 5 is rotated in a direction opposite to the direction of rotation of the ring gear 5 being controlled in accordance with the magnitude of the rotation of the planetary gear 4a relative to the crankshaft 7 and the piston position at the end of each stroke in one cycle. The phase is aligned.

(6)直列4気筒エンジンにおいて、各気筒ごとに偏心ブッシュ4b、遊星ギア4a及びリングギア5を有し、第1気筒及び第4気筒用の制御軸8a及び第1モータ9aと、第2気筒及び第3気筒用の制御軸8b及び第1モータ9bと、クランクシャフト7の一端に接続した第2モータ30とを備えるので、全気筒について図11の運転領域マップのような運転を行うことができ、またトルク変動幅を減少させることができる。   (6) In an in-line four-cylinder engine, each cylinder has an eccentric bush 4b, a planetary gear 4a and a ring gear 5, and a control shaft 8a, a first motor 9a for the first and fourth cylinders, and a second cylinder Since the control shaft 8b and the first motor 9b for the third cylinder and the second motor 30 connected to one end of the crankshaft 7 are provided, all cylinders can be operated as shown in the operation region map of FIG. And the torque fluctuation range can be reduced.

第3実施形態について説明する。図14は本実施形態のピストン−クランク機構の概略構成図である。図1と同様に(a)は機関前方から見た図、(b)は機関側方から見た図である。   A third embodiment will be described. FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the piston-crank mechanism of the present embodiment. Like FIG. 1, (a) is the figure seen from the engine front, (b) is the figure seen from the engine side.

図1(a)、(b)との相違点は、制御軸8がない点と、第1モータ9をローター部材10とステータ部材11とで構成する点である。ローター部材10はリングギア5の外周側の面に固定され、ステータ部材11はエンジン本体に備えられる。   The difference from FIGS. 1A and 1B is that there is no control shaft 8 and that the first motor 9 is composed of a rotor member 10 and a stator member 11. The rotor member 10 is fixed to the outer peripheral surface of the ring gear 5, and the stator member 11 is provided in the engine body.

このようにモータを構成すると、ステータ部材11が回転するとリングギア5が回転することとなる。つまり、制御軸8を設けることなくリングギア5を回転駆動させることが可能となる。   When the motor is configured in this way, the ring gear 5 rotates when the stator member 11 rotates. That is, the ring gear 5 can be rotationally driven without providing the control shaft 8.

以上により本実施形態によれば、制御軸8や第1モータ9を配置するためのスペースが不要となり、エンジン全体をコンパクトにすることが可能となる。また、多気筒エンジンに適用する際の設計の自由度も増す。   As described above, according to the present embodiment, a space for arranging the control shaft 8 and the first motor 9 is not required, and the entire engine can be made compact. In addition, the degree of freedom in design when applied to a multi-cylinder engine is increased.

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

第1実施形態のピストン−クランク機構の概略図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。It is the schematic of the piston-crank mechanism of 1st Embodiment, (a) is a front view, (b) is a side view. 同ピストン−クランク機構の各要素の角速度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the angular velocity of each element of the piston-crank mechanism. (a)はピストン−クランク機構の動きを示した図、(b)はクランクシャフト角速度及びリングギア角速度のタイムチャートである。(A) is a diagram showing the movement of the piston-crank mechanism, (b) is a time chart of the crankshaft angular velocity and the ring gear angular velocity. (a)〜(g)は急速膨張制御中のピストン−クランクシャフト機構の動作を説明するための図である。(A)-(g) is a figure for demonstrating operation | movement of the piston-crankshaft mechanism in rapid expansion control. 急速膨張制御時のピストンモーションを表す図である。It is a figure showing the piston motion at the time of rapid expansion control. 急速膨張制御時における各要素の角速度の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the angular velocity of each element at the time of rapid expansion control. (a)〜(c)は気筒休止制御について説明するための図である。(A)-(c) is a figure for demonstrating cylinder deactivation control. 第2実施形態を適用するエンジンのシリンダヘッド構造を表す図である。It is a figure showing the cylinder head structure of the engine to which 2nd Embodiment is applied. 第2実施形態を適用するエンジンの概略構成図(側面図)である。It is a schematic block diagram (side view) of the engine to which 2nd Embodiment is applied. HCCI燃焼を行う場合の、一般的な運転領域マップである。It is a general driving | operation area | region map in the case of performing HCCI combustion. 第2実施形態の運転領域マップである。It is the driving | operation area | region map of 2nd Embodiment. 緩慢膨張制御時における各要素の角速度の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the angular velocity of each element at the time of slow expansion control. 急速圧縮制御及び急速膨張制御を行う場合の各要素の角速度の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the angular velocity of each element in the case of performing rapid compression control and rapid expansion control. 第3実施形態のピストン−クランク機構の概略図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。It is the schematic of the piston-crank mechanism of 3rd Embodiment, (a) is a front view, (b) is a side view.

符号の説明Explanation of symbols

1 ピストン
2 ピストンピン
3 コネクティングロッド
4 偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構
5 リングギア
6 クランクピン
7 クランクシャフト
8 制御軸
9 第1モータ
10 ローター部材
11 ステータ部材
13 変速機
14 制御ギア
15 リングギア回転速度センサ
30 第2モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 2 Piston pin 3 Connecting rod 4 Eccentric bush and planetary gear integrated mechanism 5 Ring gear 6 Crank pin 7 Crank shaft 8 Control shaft 9 1st motor 10 Rotor member 11 Stator member 13 Transmission 14 Control gear 15 Ring gear rotational speed sensor 30 Second motor

Claims (11)

ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関において、
ピストンとクランクシャフトとを連接するコネクティングロッドと、
コネクティングロッド大端部にクランクピンの中心軸とコネクティングロッド大端部の中心軸とが偏心するよう設けられた偏心部材と、
前記偏心部材と一体に形成され前記クランクピンの中心軸と同心状に設けられた遊星部材と、
機関本体に前記クランクシャフトの中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ前記遊星部材と内接する転動部材と、
駆動源としての第1モータへの動力の供給量を制御することにより前記転動部材の回転を制御可能な制御機構と、
を備え、
前記制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は前記第1モータへの動力供給を停止して前記転動部材を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なうことを特徴とする内燃機関。
In an internal combustion engine provided with a piston-crank mechanism that converts a reciprocating motion of a piston into a rotational motion of a crankshaft and transmits it to a transmission,
A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
An eccentric member provided at the connecting rod large end so that the central axis of the crankpin and the central axis of the connecting rod large end are eccentric;
A planetary member formed integrally with the eccentric member and concentrically with the central axis of the crankpin;
A rolling member that is concentrically mounted on the engine body and concentrically with the central axis of the crankshaft, and inscribed in the planetary member;
A control mechanism capable of controlling the rotation of the rolling member by controlling the amount of power supplied to the first motor as a drive source;
With
An internal combustion engine characterized in that the control mechanism performs rapid expansion control for stopping a power supply to the first motor and allowing the rolling member to rotate freely for a predetermined period immediately after the start of an expansion stroke.
前記制御機構は、前記転動部材と外接する制御軸を有し、
前記制御軸の端部に前記第1モータを備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
The control mechanism has a control shaft that circumscribes the rolling member;
The internal combustion engine according to claim 1, wherein the first motor is provided at an end of the control shaft.
前記第1モータは、前記転動部材の外周部に設けたローター部材と、機関本体に固定支持されるステータ部材と、からなる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 the first motor includes a rotor member provided on an outer peripheral portion of the rolling member and a stator member fixedly supported by the engine body. 前記急速膨張制御の実行中に、前記転動部材の回転に伴って回転する前記第1モータによりエネルギ回生を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の内燃機関。   4. The internal combustion engine according to claim 1, wherein during the execution of the rapid expansion control, energy regeneration is performed by the first motor that rotates as the rolling member rotates. 5. 前記制御機構は、低負荷・低回転領域で前記急速膨張制御を行うことを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the control mechanism performs the rapid expansion control in a low load / low rotation range. 前記制御機構は、高負荷・低回転領域では前記急速膨張制御に加えて、少なくとも圧縮行程後半に前記第1モータへの動力供給を停止して前記転動部材を回転自由な状態にする急速圧縮制御を行なうことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関。   In addition to the rapid expansion control in the high load / low rotation region, the control mechanism stops the power supply to the first motor at least in the latter half of the compression stroke, thereby making the rolling member in a freely rotating state. 6. The internal combustion engine according to claim 5, wherein control is performed. 前記制御機構は、低負荷・高回転領域で、膨張行程開始直後からの所定期間は前記転動部材を前記遊星部材の回転速度を低下させる方向に回転させる緩慢膨張制御を行うことを特徴とする請求項5または6に記載の内燃機関。   The control mechanism performs slow expansion control for rotating the rolling member in a direction to decrease the rotation speed of the planetary member for a predetermined period immediately after the start of the expansion stroke in a low load / high rotation region. The internal combustion engine according to claim 5 or 6. 前記制御機構は、高負荷・高回転領域では前記転動部材が1サイクル中に回転しないように制御することを特徴とする請求項5から7のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 5 to 7, wherein the control mechanism controls the rolling member not to rotate during one cycle in a high load / high rotation region. 燃焼室内の混合気に火花点火をする点火手段を備え、
高負荷領域では前記点火手段を用いた火花点火によって燃焼を行い、低負荷領域では予混合圧縮自己着火によって燃焼を行うことを特徴とする請求項5から8のいずれか一つに記載の内燃機関。
Comprising ignition means for spark ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber;
The internal combustion engine according to any one of claims 5 to 8, wherein combustion is performed by spark ignition using the ignition means in a high load region, and combustion is performed by premixed compression self-ignition in a low load region. .
前記制御機構は、前記急速膨張制御、前記急速圧縮制御または前記緩慢膨張制御により生じる遊星部材のクランクシャフトに対する位置とピストン位置の位相のずれを解消するために、当該制御を行った行程中に、前記位相のずれの大きさに応じて前記転動部材を当該制御中の回転方向とは反対方向に回転させることを特徴とする請求項1から9のいずれか一つに記載の内燃機関。   In order to eliminate the phase shift between the position of the planetary member relative to the crankshaft and the piston position caused by the rapid expansion control, the rapid compression control, or the slow expansion control, during the stroke in which the control mechanism is performed, The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 9, wherein the rolling member is rotated in a direction opposite to a rotation direction during the control in accordance with a magnitude of the phase shift. 直列4気筒エンジンにおいて、
各気筒ごとに前記偏心部材、遊星部材及び転動部材を有し、
第1気筒及び第4気筒の前記転動部材の回転を制御する第1の制御機構と、
第2気筒及び第3気筒の前記転動部材の回転を制御する第2の制御機構と、
クランクシャフトの一端に回転軸が接続される第2モータと、
を備えることを特徴とする請求項1から10のいずれか一つに記載の内燃機関。
In an inline 4-cylinder engine,
Each cylinder has the eccentric member, planetary member and rolling member,
A first control mechanism for controlling rotation of the rolling members of the first cylinder and the fourth cylinder;
A second control mechanism for controlling rotation of the rolling members of the second cylinder and the third cylinder;
A second motor having a rotating shaft connected to one end of the crankshaft;
The internal combustion engine according to claim 1, further comprising:
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