JP2010209869A

JP2010209869A - Engine

Info

Publication number: JP2010209869A
Application number: JP2009059182A
Authority: JP
Inventors: Eiji Takahashi; 英二高橋; Tomonori Urushibara; 友則漆原; Taisuke Shiraishi; 泰介白石
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-24

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an engine reducing cooling loss with a simple configuration. SOLUTION: This engine 100 includes ignition plugs 51, 52 for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber 13, and a control means 60 for controlling the ignition plugs 51, 52 to ignite the air-fuel mixture after a compression top dead center. A mechanical compression ratio at a piston top dead center position is set to a high compression ratio such that knocking occurs when the air-fuel mixture is ignited at the compression top dead center. Engine output is thereby secured and cooling loss can be reduced. COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷却損失を低減するエンジンに関する。 The present invention relates to an engine that reduces cooling loss.

車両用のエンジンにおいては、熱効率を改善するために冷却損失を低減することが望ましい。 In a vehicle engine, it is desirable to reduce cooling loss in order to improve thermal efficiency.

特許文献１には、クランク軸及びクランク軸に対して従動する出力軸にそれぞれ楕円歯車を設け、上死点近傍におけるピストンの変位速度を速めるエンジンが開示されている。特許文献１に記載のエンジンによれば、圧縮上死点での混合気燃焼後に燃焼ガスが速やかに膨張して、燃焼ガス温度が低下しやすくなるので、冷却損失を低減することができる。 Patent Document 1 discloses an engine in which an elliptical gear is provided on each of a crankshaft and an output shaft driven with respect to the crankshaft, and the displacement speed of the piston near the top dead center is increased. According to the engine described in Patent Document 1, the combustion gas rapidly expands after the combustion of the air-fuel mixture at the compression top dead center, and the combustion gas temperature is likely to be lowered. Therefore, the cooling loss can be reduced.

特開２００５−２９１１０３号公報JP 2005-291103 A

しかしながら、特許文献１に記載のエンジンは、クランク軸や出力軸に楕円歯車を設ける必要があり、エンジンの構成が複雑になるという問題がある。 However, the engine described in Patent Document 1 has a problem that it is necessary to provide elliptical gears on the crankshaft and the output shaft, and the configuration of the engine becomes complicated.

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、簡素な構成で、冷却損失を低減することができるエンジンを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide an engine capable of reducing cooling loss with a simple configuration.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.

本発明のエンジン（１００）は、燃焼室（１３）内の混合気に点火する点火プラグ（５１、５２）と、圧縮上死点後に混合気に点火するように点火プラグ（５１、５２）を制御する制御手段（６０）と、を備え、ピストン上死点位置における機械圧縮比を、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような高圧縮比に設定することを特徴とする。 The engine (100) of the present invention includes an ignition plug (51, 52) for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber (13) and an ignition plug (51, 52) for igniting the air-fuel mixture after compression top dead center. Control means (60) for controlling, and the mechanical compression ratio at the piston top dead center position is set to a high compression ratio so that knocking occurs when the air-fuel mixture is ignited at the compression top dead center. And

本発明によれば、圧縮上死点後に混合気に点火することで、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間を短くするので、従来手法よりも簡素な構成で冷却損失を低減することができる。また、機械圧縮比を高圧縮比に設定するので、圧縮上死点後に混合気に点火しても、エンジン出力を確保することができる。 According to the present invention, by igniting the air-fuel mixture after compression top dead center, the time from heat generation due to air-fuel mixture combustion to expansion bottom dead center is shortened, so the cooling loss is reduced with a simpler structure than the conventional method can do. Further, since the mechanical compression ratio is set to a high compression ratio, the engine output can be ensured even if the air-fuel mixture is ignited after the compression top dead center.

第１実施形態のエンジンの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the engine of 1st Embodiment. 圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio of a compression ratio, and the improvement rate of thermal efficiency. 点火制御のメインルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main routine of ignition control. エンジンにおけるＰＶ線図である。It is a PV diagram in an engine. 第２実施形態のエンジンの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the engine of 2nd Embodiment. 圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio of a compression ratio, and the improvement rate of thermal efficiency. 点火制御及び機械圧縮比制御のメインルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main routine of ignition control and mechanical compression ratio control. エンジンにおけるＰＶ線図である。It is a PV diagram in an engine.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（第１実施形態）
図１は、車両用のエンジン１００の概略構成図である。 (First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine 100 for a vehicle.

図１に示すように、エンジン１００は吸気ポート噴射式の４ストロークレシプロエンジンである。エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。 As shown in FIG. 1, the engine 100 is an intake port injection type 4-stroke reciprocating engine. The engine 100 includes a cylinder block 10 and a cylinder head 20 disposed on the upper side of the cylinder block 10.

シリンダブロック１０には、シリンダ１１が形成される。シリンダ１１には、ピストン１２が摺動自在に嵌合する。シリンダ１１の壁面と、ピストン１２の冠面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３が形成される。 A cylinder 11 is formed in the cylinder block 10. A piston 12 is slidably fitted into the cylinder 11. A combustion chamber 13 is formed by the wall surface of the cylinder 11, the crown surface of the piston 12, and the lower surface of the cylinder head 20.

シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に吸気を流す吸気ポート３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート４０とが形成される。 The cylinder head 20 is formed with an intake port 30 through which intake air flows into the combustion chamber 13 and an exhaust port 40 through which exhaust from the combustion chamber 13 flows.

吸気ポート３０には、吸気弁３１と燃料噴射弁３３が設けられる。吸気弁及３１は、吸気カムシャフトに設けられた吸気カム３２によって駆動され、ピストン１２の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。燃料噴射弁３３は、エンジン運転状態に応じて燃料を噴射して、吸気ポート３０内に混合気を形成させる。 The intake port 30 is provided with an intake valve 31 and a fuel injection valve 33. The intake valve 31 is driven by an intake cam 32 provided on the intake camshaft, and opens and closes the intake port 30 in accordance with the vertical movement of the piston 12. The fuel injection valve 33 injects fuel according to the engine operating state to form an air-fuel mixture in the intake port 30.

排気ポート４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気カムシャフトに設けられた排気カム４２によって駆動され、ピストン１２の上下動に応じて排気ポート４０を開閉する。 The exhaust port 40 is provided with an exhaust valve 41. The exhaust valve 41 is driven by an exhaust cam 42 provided on the exhaust camshaft, and opens and closes the exhaust port 40 according to the vertical movement of the piston 12.

吸気ポート３０と排気ポート４０との間であってシリンダヘッド２０の中心部には、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２とが隣接するように設置される。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、点火部分が燃焼室１３内に臨むように配置される。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、エンジン運転状態に応じて燃焼室１３内の混合気に点火する。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、コントローラ６０によって制御される。 A first spark plug 51 and a second spark plug 52 are disposed adjacent to each other between the intake port 30 and the exhaust port 40 and in the center of the cylinder head 20. The first spark plug 51 and the second spark plug 52 are arranged so that the ignition part faces the combustion chamber 13. The first spark plug 51 and the second spark plug 52 ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber 13 according to the engine operating state. The first spark plug 51 and the second spark plug 52 are controlled by the controller 60.

コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。 The controller 60 is configured by a microcomputer including a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラ６０には、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ６１からの検出データが信号として入力する。アクセルペダルの踏み込み量はエンジン負荷を代表する信号として用いられる。コントローラ６０は、上記した入力信号等に基づいて第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を調整する。 Detection data from an accelerator pedal sensor 61 that detects the amount of depression of the accelerator pedal is input to the controller 60 as a signal. The depression amount of the accelerator pedal is used as a signal representative of the engine load. The controller 60 adjusts the ignition timing of the first spark plug 51 and the second spark plug 52 based on the above-described input signal and the like.

上記したエンジン１００では、冷却損失を低減して熱効率を高めるために、ピストン１２の上死点位置における圧縮比（以下「機械圧縮比」という）を従来手法のエンジンよりも高く設定するとともに、混合気点火時期を圧縮上死点以降に設定する。 In the engine 100 described above, in order to reduce the cooling loss and increase the thermal efficiency, the compression ratio at the top dead center position of the piston 12 (hereinafter referred to as “mechanical compression ratio”) is set higher than that of the engine of the conventional method, and mixing is performed. Set the ignition timing after compression top dead center.

より具体的には、エンジン１００の機械圧縮比は、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生する圧縮比であって１８程度に設定される。この機械圧縮比は、圧縮上死点での圧縮圧力が混合気燃焼時の燃焼最大圧力よりも小さくなるように設定される。そして、混合気の点火時期は、混合気点火時における圧縮比（以下「点火時圧縮比」という）が１０程度となるように圧縮上死点後の膨張行程途中に設定される。 More specifically, the mechanical compression ratio of engine 100 is a compression ratio at which knocking occurs when the air-fuel mixture is ignited at the compression top dead center, and is set to about 18. This mechanical compression ratio is set so that the compression pressure at the compression top dead center is smaller than the maximum combustion pressure during the mixture combustion. The ignition timing of the air-fuel mixture is set during the expansion stroke after the compression top dead center so that the compression ratio at the time of air-fuel mixture ignition (hereinafter referred to as “compression ratio during ignition”) is about 10.

図２は、所定のエンジン運転状態における、圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。横軸は、機械圧縮比を点火時圧縮比で割った圧縮比の比率である。また、縦軸は、圧縮上死点で点火した時（圧縮比の比率が１である時）の熱効率に対する熱効率の向上率を示す。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the ratio of the compression ratio and the improvement rate of the thermal efficiency in a predetermined engine operating state. The horizontal axis represents the ratio of the compression ratio obtained by dividing the mechanical compression ratio by the compression ratio at ignition. The vertical axis represents the rate of improvement in thermal efficiency relative to the thermal efficiency when ignition is performed at the compression top dead center (when the ratio of the compression ratio is 1).

機械圧縮比を高め、圧縮上死点以降に混合気に点火するエンジン１００では、図２に示すように、圧縮比の比率を１．１よりも大きくすると、熱効率の向上率が急増する。これは、混合気の点火時期が膨張行程途中となって、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間が短くなるために、高温の燃焼ガスからシリンダ１１等への熱伝達が抑制され、冷却損失が低減されるからである。 In the engine 100 that increases the mechanical compression ratio and ignites the air-fuel mixture after compression top dead center, as shown in FIG. 2, when the ratio of the compression ratio is greater than 1.1, the rate of improvement in thermal efficiency increases rapidly. This is because the ignition timing of the air-fuel mixture is in the middle of the expansion stroke, and the time from heat generation due to air-fuel mixture combustion to expansion bottom dead center is shortened, so heat transfer from the high-temperature combustion gas to the cylinder 11 and the like is suppressed. This is because the cooling loss is reduced.

エンジン１００では、点火時圧縮比を１０とし機械圧縮比を１８として、圧縮比の比率を１．８に設定するので、熱効率の向上率が最大となる。 In engine 100, since the compression ratio at ignition is 10, the mechanical compression ratio is 18, and the ratio of the compression ratio is set to 1.8, the improvement rate of the thermal efficiency is maximized.

ところで、エンジン１００のように点火時圧縮比を１０程度に設定すると、エンジン負荷によってはノッキングが発生するおそれがある。そこで、エンジン１００では、ノッキングの発生を抑制するために、エンジン負荷に応じて第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を制御する。 When the ignition compression ratio is set to about 10 as in the engine 100, knocking may occur depending on the engine load. Therefore, in the engine 100, in order to suppress the occurrence of knocking, the ignition timing of the first spark plug 51 and the second spark plug 52 is controlled according to the engine load.

図３は、コントローラ６０が実行する点火制御のメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓ間隔で繰り返し実行される。 FIG. 3 is a flowchart showing a main routine of ignition control executed by the controller 60. This main routine is repeatedly executed at regular intervals, for example, 10 ms intervals during engine operation.

ステップＳ１０１では、コントローラ６０は、低エンジン負荷時であるか否かをアクセルペダルセンサ６１の検出値に基づいて判定する。 In step S101, the controller 60 determines whether or not the engine load is low based on the detection value of the accelerator pedal sensor 61.

低エンジン負荷時には、コントローラ６０は、ステップＳ１０２の処理を実行する。これに対して高エンジン負荷時には、コントローラ６０は、ステップＳ１０３の処理を実行する。 When the engine load is low, the controller 60 executes the process of step S102. On the other hand, when the engine load is high, the controller 60 executes the process of step S103.

ステップＳ１０２では、コントローラ６０は、点火時期を圧縮上死点側に向かって進角し、第１点火プラグ５１のみによって混合気に点火する。第１点火プラグ５１の点火時期は、点火時圧縮比が１０となるように制御される。 In step S 102, the controller 60 advances the ignition timing toward the compression top dead center side, and ignites the air-fuel mixture only by the first spark plug 51. The ignition timing of the first spark plug 51 is controlled so that the ignition compression ratio is 10.

ステップＳ１０３では、コントローラ６０は、点火時期を圧縮上死点側から離れるように遅角し、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の両方で混合気に点火する。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期は、点火時圧縮比が１０よりも低くなるように制御される。 In step S103, the controller 60 retards the ignition timing away from the compression top dead center side, and ignites the air-fuel mixture using both the first spark plug 51 and the second spark plug 52. The ignition timing of the first spark plug 51 and the second spark plug 52 is controlled so that the compression ratio at ignition is lower than 10.

図４を参照して、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火制御による作用について説明する。 With reference to FIG. 4, the effect | action by the ignition control of the 1st spark plug 51 and the 2nd spark plug 52 is demonstrated.

図４は、エンジン１００におけるＰＶ線図を示す。点線Ａは低エンジン負荷時のＰＶ線図を示し、実線Ｂは高エンジン負荷時のＰＶ線図を示す。 FIG. 4 shows a PV diagram in engine 100. A dotted line A shows a PV diagram at a low engine load, and a solid line B shows a PV diagram at a high engine load.

低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいので、点線Ａに示すように、第１点火プラグ５１の点火時期を高エンジン負荷時よりも圧縮上死点側に進角して、点火時圧縮比を高くする。混合気点火時におけるピストン１２の下降速度は高エンジン負荷時よりも遅いので、第１点火プラグ５１のみによって点火することで混合気の燃焼期間を長くする。これにより燃焼最大圧力が高くなり過ぎるのを抑えて、燃焼騒音の悪化を抑制する。 Since knocking is unlikely to occur at low engine load, the ignition timing of the first spark plug 51 is advanced to the compression top dead center side than at high engine load, as shown by the dotted line A, and the compression ratio at ignition is increased. Make it high. Since the lowering speed of the piston 12 at the time of air-fuel mixture ignition is slower than that at the time of high engine load, the combustion period of the air-fuel mixture is lengthened by igniting only with the first spark plug 51. As a result, the maximum combustion pressure is prevented from becoming too high, and the deterioration of combustion noise is suppressed.

一方、高エンジン負荷時はノッキングが発生しやすいので、実線Ｂに示すように、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を低エンジン負荷時よりも圧縮上死点側から遅角する。これにより点火時圧縮比が低下するので、ノッキングの発生が抑制される。高エンジン負荷では、混合気点火時におけるピストン１２の下降速度が低エンジン負荷時よりも速くなるので、混合気の燃焼期間が長くなると破線に示すように等容度が悪化してしまう。エンジン１００では、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２の両方を使って混合気に点火し、混合気の燃焼期間を短縮させるので、等容度の悪化を抑制できる。 On the other hand, since knocking is likely to occur at high engine load, as shown by the solid line B, the ignition timing of the first spark plug 51 and the second spark plug 52 is retarded from the compression top dead center side than at low engine load. To do. As a result, the ignition compression ratio decreases, so that the occurrence of knocking is suppressed. At a high engine load, the lowering speed of the piston 12 at the time of air-fuel mixture ignition becomes faster than at a low engine load. Therefore, as the combustion period of the air-fuel mixture becomes longer, the isovolume deteriorates as shown by the broken line. In the engine 100, the air-fuel mixture is ignited using both the first spark plug 51 and the second spark plug 52, and the combustion period of the air-fuel mixture is shortened.

以上により、第１実施形態のエンジン１００では、下記の効果を得ることができる。 As described above, in the engine 100 of the first embodiment, the following effects can be obtained.

エンジン１００では、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生する圧縮比となるように機械圧縮比を設定し、圧縮上死点後に点火時期を設定するので、エンジン出力を確保しつつ、冷却損失を低減することが可能となる。 In the engine 100, the mechanical compression ratio is set so that the compression ratio is such that knocking occurs when the air-fuel mixture is ignited at the compression top dead center, and the ignition timing is set after the compression top dead center. Meanwhile, it is possible to reduce the cooling loss.

機械圧縮比は、圧縮上死点での圧縮圧力が混合気燃焼時の燃焼最大圧力よりも小さくなるように設定されるので、圧縮圧力が過大となることがない。したがって、ピストン１２やクランク軸等でのフリクションの増加を抑制でき、エンジン１００の熱効率を効率的に高めることができる。 The mechanical compression ratio is set so that the compression pressure at the compression top dead center is smaller than the maximum combustion pressure during the mixture combustion, so that the compression pressure does not become excessive. Therefore, an increase in friction at the piston 12 and the crankshaft can be suppressed, and the thermal efficiency of the engine 100 can be efficiently increased.

エンジン高負荷時には、点火時圧縮比が低くなるように点火時期を圧縮上死点から遅角させるので、ノッキングの発生を抑制することができる。また、エンジン高負荷時には、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２の両方を用いて混合気に点火して、混合気の燃焼期間を短くするので、混合気点火時におけるピストン１２の下降速度が速くなっても等容度の悪化を抑えることができ、熱効率の低下が抑制できる。 When the engine is heavily loaded, the ignition timing is retarded from the compression top dead center so that the ignition compression ratio becomes low, so that the occurrence of knocking can be suppressed. In addition, when the engine is under a high load, the mixture is ignited using both the first spark plug 51 and the second spark plug 52, and the combustion period of the mixture is shortened. However, the deterioration of the isovolume can be suppressed even if the speed is increased, and the decrease in thermal efficiency can be suppressed.

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態におけるエンジン１００の概略構成図である。 (Second Embodiment)
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the engine 100 according to the second embodiment.

第２実施形態におけるエンジン１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、エンジン負荷や排気温度に応じて機械圧縮比を変更するように構成した点で相違する。以下に、その相違点を中心に説明する。 The engine 100 according to the second embodiment has substantially the same configuration as that of the first embodiment, but is different in that the mechanical compression ratio is changed according to the engine load and the exhaust temperature. Hereinafter, the difference will be mainly described.

図５に示すように、エンジン１００は、排気温度センサ６２と、機械圧縮比可変機構７０とを備える。 As shown in FIG. 5, engine 100 includes an exhaust temperature sensor 62 and a mechanical compression ratio variable mechanism 70.

排気温度センサ６２は、排気ポート４０に接続する排気通路４３に設置される。排気温度センサ６２は、排気通路４３を流れる排気の温度を検出する。 The exhaust temperature sensor 62 is installed in the exhaust passage 43 connected to the exhaust port 40. The exhaust temperature sensor 62 detects the temperature of exhaust flowing through the exhaust passage 43.

機械圧縮比可変機構７０は、ピストン１２とクランクシャフト１４とを、アッパリンク７１及びロアリンク７２で連結し、コントロールリンク７３によってロアリンク７２の姿勢を制御することで、ピストン上死点位置を変化させて機械圧縮比を変更する。コントロールリンク７３は、コントロールシャフト７４の偏心軸７４Ａに連結される。コントロールシャフト７４はアクチュエータ７５によって回転制御される。 The mechanical compression ratio variable mechanism 70 connects the piston 12 and the crankshaft 14 with the upper link 71 and the lower link 72, and controls the posture of the lower link 72 by the control link 73, thereby changing the piston top dead center position. To change the mechanical compression ratio. The control link 73 is connected to the eccentric shaft 74 A of the control shaft 74. The control shaft 74 is rotationally controlled by an actuator 75.

アクチュエータ７５によってコントロールシャフト７４が回転し、偏心軸７４Ａがコントロールシャフト７４の中心軸に対して相対的に低くなる方向に移動すると、コントロールリンク７３によってロアリンク７２はクランクピン中心に対して図中時計周りに回転してアッパリンク７１を押し上げるように傾く。これによりピストン上死点位置が上昇し、エンジン１００の機械圧縮比が高くなる。これに対して、偏心軸７４Ａがコントロールシャフト７４の中心軸に対して相対的に高くなる方向に移動すると、コントロールリンク７３によってロアリンク７２は図中反時計回りに回転してアッパリンク７１を引き下げるように傾く。これによりピストン上死点位置が下降して、エンジン１００の機械圧縮比が低くなる。 When the control shaft 74 is rotated by the actuator 75 and the eccentric shaft 74A moves in a direction relatively lower than the central axis of the control shaft 74, the control link 73 causes the lower link 72 to move relative to the center of the crankpin. Rotate around and tilt to push up the upper link 71. As a result, the piston top dead center position is raised, and the mechanical compression ratio of the engine 100 is increased. On the other hand, when the eccentric shaft 74A moves in a direction that is relatively higher than the central axis of the control shaft 74, the lower link 72 is rotated counterclockwise in the drawing by the control link 73 to lower the upper link 71. Tilt. As a result, the piston top dead center position is lowered, and the mechanical compression ratio of the engine 100 is lowered.

図６は、圧縮比の比率と、圧縮比の比率が１の場合の熱効率を基準にした熱効率の向上率との関係を示す図である。線Ｃは高エンジン負荷時を示し、線Ｄは低エンジン負荷時を示す。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the ratio of the compression ratio and the improvement rate of the thermal efficiency based on the thermal efficiency when the ratio of the compression ratio is 1. Line C shows a high engine load, and line D shows a low engine load.

線Ｃに示すように高エンジン負荷時においては、エンジン１００の機械圧縮比を１８とし燃焼時圧縮比を１０として圧縮比の比率を１．８に設定するので、熱効率の向上率が最大となる。 As shown by the line C, when the engine load is high, the mechanical compression ratio of the engine 100 is set to 18, the compression ratio at the time of combustion is set to 10, and the ratio of the compression ratio is set to 1.8. .

一方、低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいため、さらなる熱効率の向上を図るために燃焼時圧縮比を１８程度まで高める。このように低エンジン負荷時の燃焼時圧縮比を設定すると、線Ｄに示すように、熱効率の向上率が最大となる圧縮比の比率が高エンジン負荷時よりも小さくなる。したがって、エンジン１００では、圧縮比の比率が低下するように、燃焼時圧縮比を高くするとともに機械圧縮比も高める。これにより低エンジン負荷時においても、熱効率の向上率を最大とすることができる。 On the other hand, since knocking hardly occurs at low engine loads, the compression ratio during combustion is increased to about 18 in order to further improve the thermal efficiency. When the combustion compression ratio at the time of low engine load is set in this way, as shown by the line D, the ratio of the compression ratio that maximizes the improvement rate of the thermal efficiency becomes smaller than that at the time of high engine load. Therefore, in engine 100, the compression ratio during combustion is increased and the mechanical compression ratio is also increased so that the ratio of the compression ratio is decreased. Thereby, the improvement rate of thermal efficiency can be maximized even when the engine load is low.

図７は、コントローラ６０が実行する点火制御及び機械圧縮比制御のメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓ間隔で繰り返し実行される。 FIG. 7 is a flowchart showing a main routine of ignition control and mechanical compression ratio control executed by the controller 60. This main routine is repeatedly executed at regular intervals, for example, 10 ms intervals during engine operation.

ステップＳ２０１では、コントローラ６０は、排気温度センサ６２によって検出される排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも大きいか否かを判定する。 In step S201, the controller 60 determines whether the exhaust temperature T detected by the exhaust temperature sensor 62 is higher than the predetermined temperature T _0.

排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも小さい場合には、コントローラ６０はステップＳ２０２の処理を実行する。 When the exhaust temperature T is lower than the predetermined temperature T ₀ , the controller 60 executes the process of step S202.

これに対して、排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも大きい場合には、コントローラ６０はステップＳ２０５の処理を実行する。機械圧縮比を高め、圧縮上死点以降に混合気を燃焼させるエンジン１００では、冷却損失の低減によって熱効率が高まる一方で、排気温度も上昇する。そこで本実施形態のエンジン１００では、排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも大きい場合にステップＳ２０５の処理を実行して、排気温度が過剰に高くなるのを抑制する。 On the other hand, when the exhaust gas temperature T is higher than the predetermined temperature T ₀ , the controller 60 executes the process of step S205. In the engine 100 that increases the mechanical compression ratio and burns the air-fuel mixture after compression top dead center, the thermal efficiency is increased by reducing the cooling loss, while the exhaust temperature is also increased. Therefore, in the engine 100 of the present embodiment, when the exhaust temperature T is higher than the predetermined temperature T ₀ , the process of step S205 is executed to suppress the exhaust temperature from becoming excessively high.

ステップＳ２０２では、コントローラ６０は、低エンジン負荷時であるか否かをアクセルペダルセンサ６１の検出値に基づいて判定する。 In step S 202, the controller 60 determines whether or not the engine load is low based on the detection value of the accelerator pedal sensor 61.

低エンジン負荷時には、コントローラ６０はステップＳ２０３の処理を実行する。それ以外の場合には、コントローラ６０はステップＳ２０４の処理を実行する。 When the engine load is low, the controller 60 executes step S203. In other cases, the controller 60 executes the process of step S204.

ステップＳ２０３では、コントローラ６０は、圧縮比の比率が小さくなるように点火時期を上死点側に進角させるとともに機械圧縮比を高圧縮比に制御して、第１点火プラグ５１のみによって混合気に点火する。 In step S203, the controller 60 advances the ignition timing to the top dead center side so that the ratio of the compression ratio becomes small, and controls the mechanical compression ratio to a high compression ratio. Ignition.

ステップＳ２０４では、コントローラ６０は、圧縮比の比率が大きくなるように点火時期を上死点側から遅角させるとともに機械圧縮比を低圧縮比に制御して、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の両方で混合気に点火する。 In step S204, the controller 60 retards the ignition timing from the top dead center side so as to increase the ratio of the compression ratio, and controls the mechanical compression ratio to a low compression ratio, so that the first spark plug 51 and the second ignition The mixture is ignited by both plugs 52.

ステップＳ２０５では、排気温度が過剰に高くなるのを抑制するため、コントローラ６０は、ステップＳ２０３、Ｓ２０４で設定した高い機械圧縮比（圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような圧縮比）から機械圧縮比を所定量だけ低下させて、例えば圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生しないような圧縮比にまで低下させ、混合気に点火する。点火時期は、例えば、ステップＳ２０３、Ｓ２０４で設定した時期よりも進角させて、上死点付近における通常の点火時期に設定することができる。 In step S205, in order to prevent the exhaust temperature from becoming excessively high, the controller 60 causes the knocking to occur when the air-fuel mixture is ignited at the high mechanical compression ratio (compression top dead center) set in steps S203 and S204. The mechanical compression ratio is reduced by a predetermined amount, for example, when the mixture is ignited at the compression top dead center, the compression ratio is reduced so that knocking does not occur, and the mixture is ignited. The ignition timing can be set to a normal ignition timing in the vicinity of the top dead center, for example, advanced from the timing set in steps S203 and S204.

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、上記した点火制御及び機械圧縮比制御による作用について説明する。図８（Ａ）は排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも小さい場合のエンジン１００におけるＰＶ線図を示し、図８（Ｂ）は排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも大きい場合のエンジン１００におけるＰＶ線図を示す。 With reference to FIG. 8 (A) and FIG. 8 (B), the effect | action by above-described ignition control and mechanical compression ratio control is demonstrated. 8A shows a PV diagram in the engine 100 when the exhaust temperature T is lower than the predetermined temperature T ₀ , and FIG. 8B shows the PV diagram in the engine 100 when the exhaust temperature T is higher than the predetermined temperature T ₀ . A PV diagram is shown.

図８（Ａ）の点線Ｅを参照すると、低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいので、第１点火プラグ５１の点火時期を高エンジン負荷時よりも圧縮上死点側に進角し、点火時圧縮比を高くすることにより、圧縮比の比率を小さくする。点火時圧縮比が高く、混合気燃焼時の圧縮比が高いことから熱効率が向上する（排気損失が減少する）。さらに、点火時圧縮比が高い場合において圧縮比の比率を高エンジン負荷時に比べて小さくするので、図６の線Ｄに示したように低エンジン負荷時において熱効率の向上を図ることができる。機械圧縮比は混合気燃焼時の圧縮比が所望の圧縮比となるように制御され、本実施形態においては高エンジン負荷時に比べて機械圧縮比を高くして所望の圧縮比としている。 Referring to the dotted line E in FIG. 8A, knocking is less likely to occur at low engine loads, so the ignition timing of the first spark plug 51 is advanced to the compression top dead center side than at high engine loads, and ignition is performed. By increasing the time compression ratio, the ratio of the compression ratio is reduced. Since the compression ratio at the time of ignition is high and the compression ratio at the time of air-fuel mixture combustion is high, thermal efficiency is improved (exhaust loss is reduced). Further, when the ignition compression ratio is high, the ratio of the compression ratio is made smaller than when the engine load is high, so that the thermal efficiency can be improved at the low engine load as shown by the line D in FIG. The mechanical compression ratio is controlled so that the compression ratio at the time of air-fuel mixture combustion becomes a desired compression ratio. In this embodiment, the mechanical compression ratio is made higher than that at the time of high engine load to obtain a desired compression ratio.

図８（Ａ）の実線Ｆを参照すると、高エンジン負荷時はノッキングが発生しやすいので、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を低エンジン負荷時よりも圧縮上死点側から遅角して、点火時圧縮比を低くすることにより、圧縮比の比率を大きくする。点火時圧縮比が低くなるので、混合気燃焼時の圧縮比も低くなる。点火時圧縮比が低い場合において圧縮比の比率を低エンジン負荷時に比べて大きくするので、図６の線Ｃに示したように高エンジン負荷時において熱効率の向上を図ることができる。機械圧縮比は混合気燃焼時の圧縮比が所望の圧縮比となるように制御され、本実施形態においては低エンジン負荷時に比べて機械圧縮比を低くして所望の圧縮比としている。 Referring to the solid line F in FIG. 8A, knocking is likely to occur when the engine load is high. Therefore, the ignition timing of the first spark plug 51 and the second spark plug 52 is set to the compression top dead center side than when the engine load is low. The ratio of the compression ratio is increased by reducing the ignition compression ratio and decreasing the ignition compression ratio. Since the ignition compression ratio is low, the compression ratio during air-fuel mixture combustion is also low. When the compression ratio at the time of ignition is low, the ratio of the compression ratio is made larger than that at the time of low engine load, so that the thermal efficiency can be improved at the time of high engine load as shown by the line C in FIG. The mechanical compression ratio is controlled so that the compression ratio at the time of air-fuel mixture combustion becomes a desired compression ratio, and in this embodiment, the mechanical compression ratio is made lower than that at the time of low engine load to obtain a desired compression ratio.

一方、排気温度Ｔが所定温度Ｔ₀よりも大きい場合は、図８（Ｂ）の実線Ｇに示すように、第１点火プラグ５１や第２点火プラグ５２の点火時期を変更せずに、機械圧縮比を所定量だけ低下させて混合気に点火する。そうすると、圧縮比の比率が小さくなって、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間が長くなるので、冷却損失は僅かに悪化するものの、排気温度の上昇が抑制される。 On the other hand, when the exhaust temperature T is higher than the predetermined temperature T ₀ , the machine does not change the ignition timing of the first spark plug 51 or the second spark plug 52 as shown by the solid line G in FIG. The mixture is ignited by reducing the compression ratio by a predetermined amount. As a result, the ratio of the compression ratio becomes small, and the time from heat generation due to air-fuel mixture combustion to expansion bottom dead center becomes long, so that although the cooling loss is slightly worsened, the rise in the exhaust temperature is suppressed.

以上により、第２実施形態のエンジン１００では、下記の効果を得ることができる。 As described above, in the engine 100 of the second embodiment, the following effects can be obtained.

エンジン１００では、エンジン負荷に応じて機械圧縮比及び点火時期を制御して圧縮比の比率を調整するので、エンジン負荷によらず熱効率の向上率を最大とすることができる。 In engine 100, the mechanical compression ratio and the ignition timing are controlled according to the engine load to adjust the ratio of the compression ratio, so that the improvement rate of the thermal efficiency can be maximized regardless of the engine load.

排気温度が所定温度よりも高くなった場合には、点火時期を変更せずに機械圧縮比を所定量だけ低下させて混合気に点火するため、排気温度の上昇を抑制することができる。これにより、排気温度が過度に高温となるのを回避することができ、排気系を構成する部品の熱劣化を抑制することができる。 When the exhaust gas temperature is higher than the predetermined temperature, the mixture is ignited by reducing the mechanical compression ratio by a predetermined amount without changing the ignition timing, so that the increase in the exhaust gas temperature can be suppressed. Thereby, it can avoid that exhaust temperature becomes high temperature too much, and can suppress the thermal deterioration of the components which comprise an exhaust system.

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

上記した各実施形態のエンジンは、混合気点火時の点火プラグの本数を変化させることで混合気の燃焼期間を変更するように構成したが、燃料に水素を供給する水素供給装置を備えて水素の供給割合を変化させることで混合気の燃焼期間を変更するように構成してもよい。 The engine of each embodiment described above is configured to change the combustion period of the air-fuel mixture by changing the number of spark plugs at the time of air-fuel mixture ignition. However, the engine includes a hydrogen supply device that supplies hydrogen to the fuel. The combustion period of the air-fuel mixture may be changed by changing the supply ratio.

１００エンジン
１０シリンダブロック
１１シリンダ
１２ピストン
１３燃焼室
２０シリンダヘッド
３０吸気ポート
４０排気ポート
４３排気通路
５１第１点火プラグ（燃焼期間変更手段）
５２第２点火プラグ（燃焼期間変更手段）
６０コントローラ（制御手段）
６１アクセルペダルセンサ
６２排気温度センサ（排気温度検出手段）
７０機械圧縮比可変機構（機械圧縮比変更手段） 100 Engine 10 Cylinder block 11 Cylinder 12 Piston 13 Combustion chamber 20 Cylinder head 30 Intake port 40 Exhaust port 43 Exhaust passage 51 First spark plug (combustion period changing means)
52 Second spark plug (combustion period changing means)
60 controller (control means)
61 Accelerator pedal sensor 62 Exhaust temperature sensor (exhaust temperature detection means)
70 Mechanical compression ratio variable mechanism (Mechanical compression ratio changing means)

Claims

A spark plug for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber;
Control means for controlling the spark plug so as to ignite the air-fuel mixture after compression top dead center,
The mechanical compression ratio at the piston top dead center position is set to a high compression ratio such that knocking occurs when the air-fuel mixture is ignited at the compression top dead center.
engine.

The mechanical compression ratio is set so that the compression pressure at the compression top dead center is smaller than the maximum combustion pressure at the time of air-fuel mixture combustion.
The engine according to claim 1.

The ratio of the compression ratio obtained by dividing the mechanical compression ratio by the ignition compression ratio at the time of air-fuel mixture ignition is set to be larger than 1.1.
The engine according to claim 1 or 2, characterized by the above.

The control means retards the ignition timing away from the compression top dead center at a high engine load.
The engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:

A mechanical compression ratio changing means for changing the mechanical compression ratio by changing a piston top dead center position;
The control means is configured such that the higher the engine load, the lower the ignition compression ratio at the time of mixture ignition, and the larger the ratio of the compression ratio obtained by dividing the mechanical compression ratio by the compression ratio at ignition at the time of mixture ignition. In addition, the mechanical compression ratio is changed while retarding the ignition timing further away from the compression top dead center.
The engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:

Exhaust temperature detection means for detecting the exhaust temperature is further provided,
The control means reduces the mechanical compression ratio when the exhaust temperature is higher than a predetermined temperature;
The engine according to claim 5.

A combustion period changing means for changing the combustion period of the air-fuel mixture;
The control means controls the combustion period changing means so as to shorten the combustion period of the air-fuel mixture when the engine load is high.
The engine according to any one of claims 4 to 6, wherein

The combustion period changing means includes a plurality of spark plugs,
The control means changes the combustion period of the mixture by changing the number of spark plugs that ignite the mixture according to the engine load.
The engine according to claim 7.