JP2011117418A - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents

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武志 北山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit generation of noise from an intake passage. <P>SOLUTION: A spark ignition internal combustion engine includes a variable compression ratio mechanism A variable in a mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism B capable of controlling valve close timing of an intake valve 7, and a throttle valve 17 disposed in an engine intake passage. Noise caused by intake air interference increases when retardation quantity of valve close timing of the intake valve 7 and opening of the throttle valve 17 become large. Consequently, opening of the throttle valve 7 is reduced and valve close timing of the intake valve 7 is advanced when the engine is in an operation state where the noise is to be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は火花点火式内燃機関に関する。   The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine.

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁とを具備しており、機関高負荷運転側ではスロットル弁を全開に保持した状態で吸気弁の閉弁時期の遅角量を制御することにより吸入空気量が制御され、機関低負荷運転時には吸気弁の閉弁時期を最も遅角した状態に保持すると共にスロットル弁によって吸入空気量が制御される内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。   Equipped with a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve, and a throttle valve that is arranged in the engine intake passage. On the side, the intake air amount is controlled by controlling the retard amount of the closing timing of the intake valve while the throttle valve is fully opened, and the closing timing of the intake valve is most retarded during engine low load operation And an internal combustion engine in which the amount of intake air is controlled by a throttle valve is known (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−303423号公報JP 2007-303423 A

ところで内燃機関では吸気行程時においてピストンが下降すると吸気ポート内には負圧が発生し、この負圧はサージタンクへの開口端で反射し、正圧の形で再び吸気ポート内に戻ってくる。一方、上述の内燃機関におけるように吸気弁の閉弁時期が遅角されるとピストンにより圧縮された空気が吸気ポート内に押し出されるために吸気ポート内に正圧が発生する。この正圧はサージタンクへの開口端から戻ってきた正圧に重疊され、斯くして吸気ポート内に大きな正圧が発生する。その結果、吸気通路内にはこのような吸気干渉によって激しい圧力脈動が生じることになる。   By the way, in an internal combustion engine, when the piston descends during the intake stroke, negative pressure is generated in the intake port, and this negative pressure is reflected at the opening end to the surge tank and returns to the intake port again in the form of positive pressure. . On the other hand, when the closing timing of the intake valve is retarded as in the above-described internal combustion engine, the air compressed by the piston is pushed into the intake port, so that positive pressure is generated in the intake port. This positive pressure is superimposed on the positive pressure returned from the open end to the surge tank, and thus a large positive pressure is generated in the intake port. As a result, intense pressure pulsation occurs in the intake passage due to such intake air interference.

ところが上述の内燃機関ではこのような圧力脈動が生じたときにスロットル弁が全開状態に保持されている。その結果、この圧力脈動はスロットル弁により邪魔されることなく空気取入口まで伝播し、斯くして騒音が発生するという問題を生ずることになる。また、吸気通路内に吸入空気量検出器が設けられている場合にはこの圧力脈動によって測定誤差を生ずるという問題もある。   However, in the above-described internal combustion engine, when such pressure pulsation occurs, the throttle valve is kept fully open. As a result, this pressure pulsation propagates to the air intake without being obstructed by the throttle valve, thus causing a problem that noise is generated. Further, when an intake air amount detector is provided in the intake passage, there is a problem that a measurement error is caused by this pressure pulsation.

上記問題を解決するために本発明によれば、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁とを具備した火花点火式内燃機関において、吸気弁の閉弁時期の遅角量およびスロットル弁の開度が大きくなると吸気干渉に基づく騒音が大きくなり、この騒音を低減すべき運転状態のときにはスロットル弁の開度を小さくすると共に吸気弁の閉弁時期を進角させるようにしている。   In order to solve the above problem, according to the present invention, a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and the engine intake passage are disposed. In a spark ignition internal combustion engine equipped with a throttle valve, when the retard amount of the closing timing of the intake valve and the opening of the throttle valve are increased, noise due to intake interference increases, and this noise must be reduced. Sometimes, the opening of the throttle valve is reduced and the closing timing of the intake valve is advanced.

機関の運転状態が騒音を低減すべき運転状態となったときにスロットル弁の開度が小さくされるので圧力脈動の伝播が抑制される。またこのとき吸気弁の閉弁時期が進角されるので吸気ポート内に発生する正圧が弱められ、斯くして圧力脈動が弱められる。その結果、騒音の発生を抑制することができる。   Since the opening degree of the throttle valve is reduced when the engine operation state is an operation state where noise should be reduced, propagation of pressure pulsation is suppressed. At this time, the closing timing of the intake valve is advanced, so that the positive pressure generated in the intake port is weakened, and thus the pressure pulsation is weakened. As a result, generation of noise can be suppressed.

火花点火式内燃機関の全体図である。1 is an overall view of a spark ignition internal combustion engine. 可変圧縮比機構の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a variable compression ratio mechanism. 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。1 is a schematic side sectional view of an internal combustion engine. 可変バルブタイミング機構を示す図である。It is a figure which shows a variable valve timing mechanism. 吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。It is a figure which shows the lift amount of an intake valve and an exhaust valve. 機械圧縮比、実圧縮比および膨張比を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mechanical compression ratio, an actual compression ratio, and an expansion ratio. 理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between theoretical thermal efficiency and an expansion ratio. 通常のサイクルおよび超高膨張比サイクルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a normal cycle and a super-high expansion ratio cycle. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 吸気ポート内の圧力を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pressure in an intake port. 吸気ダクト上流端における圧力脈動を示す図である。It is a figure which shows the pressure pulsation in an intake duct upstream end. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 運転制御を行うためのフローチャートである。It is a flowchart for performing operation control. 吸気弁の閉弁時期等のマップを示す図である。It is a figure which shows maps, such as valve closing timing of an intake valve. 吸気弁の閉弁時期等のマップを示す図である。It is a figure which shows maps, such as valve closing timing of an intake valve. 火花点火式内燃機関の別の実施例の全体図である。It is a general view of another Example of a spark ignition type internal combustion engine. 吸気管長に対する制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating control with respect to intake pipe length.

図1に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
図1を参照すると、1はクランクケース、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は燃焼室5の頂面中央部に配置された点火栓、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、各吸気枝管11には夫々対応する吸気ポート8内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁13が配置される。なお、燃料噴射弁13は各吸気枝管11に取付ける代りに各燃焼室5内に配置してもよい。
FIG. 1 shows a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is a crankcase, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug disposed at the center of the top surface of the combustion chamber 5, and 7 is intake air. 8 is an intake port, 9 is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via an intake branch pipe 11, and a fuel injection valve 13 for injecting fuel into the corresponding intake port 8 is arranged in each intake branch pipe 11. The fuel injection valve 13 may be arranged in each combustion chamber 5 instead of being attached to each intake branch pipe 11.

サージタンク12は吸気ダクト14を介してエアクリーナ15に連結され、吸気ダクト14内にはアクチュエータ16によって駆動されるスロットル弁17と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器18とが配置される。一方、排気ポート10は排気マニホルド19を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ20に連結され、排気マニホルド19内には空燃比センサ21が配置される。   The surge tank 12 is connected to an air cleaner 15 via an intake duct 14, and a throttle valve 17 driven by an actuator 16 and an intake air amount detector 18 using, for example, heat rays are arranged in the intake duct 14. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to a catalytic converter 20 containing, for example, a three-way catalyst via an exhaust manifold 19, and an air-fuel ratio sensor 21 is disposed in the exhaust manifold 19.

一方、図1に示される実施例ではクランクケース1とシリンダブロック2との連結部にクランクケース1とシリンダブロック2のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更可能な可変圧縮比機構Aが設けられており、更に実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構Bが設けられている。なお、図1に示される実施例ではこの実圧縮作用開始時期変更機構Bは吸気弁7の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構からなる。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the piston 4 is positioned at the compression top dead center by changing the relative position of the crankcase 1 and the cylinder block 2 in the cylinder axial direction at the connecting portion between the crankcase 1 and the cylinder block 2. There is provided a variable compression ratio mechanism A capable of changing the volume of the combustion chamber 5 at the time, and further an actual compression action start timing changing mechanism B capable of changing the actual start time of the compression action. In the embodiment shown in FIG. 1, the actual compression action start timing changing mechanism B is composed of a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve 7.

電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。吸入空気量検出器18の出力信号および空燃比センサ21の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して点火栓6、燃料噴射弁13、スロットル弁駆動用アクチュエータ16、可変圧縮比機構Aおよび可変バルブタイミング機構Bに接続される。   The electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31. A ROM (Read Only Memory) 32, a RAM (Random Access Memory) 33, a CPU (Microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36. It comprises. The output signal of the intake air amount detector 18 and the output signal of the air-fuel ratio sensor 21 are input to the input port 35 via corresponding AD converters 37, respectively. A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Is done. Further, a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 ° is connected to the input port 35. On the other hand, the output port 36 is connected to the spark plug 6, the fuel injection valve 13, the throttle valve driving actuator 16, the variable compression ratio mechanism A, and the variable valve timing mechanism B through corresponding drive circuits 38.

図2は図1に示す可変圧縮比機構Aの分解斜視図を示しており、図3は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図2を参照すると、シリンダブロック2の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部50が形成されており、各突出部50内には夫々断面円形のカム挿入孔51が形成されている。一方、クランクケース1の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部50の間に嵌合せしめられる複数個の突出部52が形成されており、これらの各突出部52内にも夫々断面円形のカム挿入孔53が形成されている。   2 is an exploded perspective view of the variable compression ratio mechanism A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a side sectional view of the internal combustion engine schematically shown. Referring to FIG. 2, a plurality of protrusions 50 spaced from each other are formed below both side walls of the cylinder block 2, and cam insertion holes 51 each having a circular cross section are formed in each protrusion 50. Has been. On the other hand, a plurality of protrusions 52 are formed on the upper wall surface of the crankcase 1 so as to be fitted between the corresponding protrusions 50 spaced apart from each other. Cam insertion holes 53 each having a circular cross section are formed.

図2に示されるように一対のカムシャフト54,55が設けられており、各カムシャフト54,55上には一つおきに各カム挿入孔51内に回転可能に挿入される円形カム56が固定されている。これらの円形カム56は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム56間には図3においてハッチングで示すように各カムシャフト54,55の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸57が延びており、この偏心軸57上に別の円形カム58が偏心して回転可能に取付けられている。図2に示されるようにこれら円形カム58は各円形カム56間に配置されており、これら円形カム58は対応する各カム挿入孔53内に回転可能に挿入されている。   As shown in FIG. 2, a pair of camshafts 54 and 55 are provided, and on each camshaft 54 and 55, a circular cam 56 is rotatably inserted into each cam insertion hole 51. It is fixed. These circular cams 56 are coaxial with the rotational axes of the camshafts 54 and 55. On the other hand, an eccentric shaft 57 arranged eccentrically with respect to the rotation axis of each camshaft 54, 55 extends between the circular cams 56 as shown by hatching in FIG. A cam 58 is eccentrically mounted for rotation. As shown in FIG. 2, the circular cams 58 are disposed between the circular cams 56, and the circular cams 58 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 53.

図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55上に固定された円形カム56を図3(A)において実線の矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心軸57が下方中央に向けて移動するために円形カム58がカム挿入孔53内において図3(A)の破線の矢印に示すように円形カム56とは反対方向に回転し、図3(B)に示されるように偏心軸57が下方中央まで移動すると円形カム58の中心が偏心軸57の下方へ移動する。   When the circular cams 56 fixed on the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as indicated by solid arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. In order to move toward the lower center, the circular cam 58 rotates in the opposite direction to the circular cam 56 in the cam insertion hole 53 as shown by the broken arrow in FIG. 3A, and is shown in FIG. As described above, when the eccentric shaft 57 moves to the lower center, the center of the circular cam 58 moves below the eccentric shaft 57.

図3(A)と図3(B)とを比較するとわかるようにクランクケース1とシリンダブロック2の相対位置は円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離によって定まり、円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック2はクランクケース1から離れる。シリンダブロック2がクランクケース1から離れるとピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積は増大し、従って各カムシャフト54,55を回転させることによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更することができる。   3A and 3B, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center of the circular cam 56 and the center of the circular cam 58. The cylinder block 2 moves away from the crankcase 1 as the distance between the center and the center of the circular cam 58 increases. When the cylinder block 2 moves away from the crankcase 1, the volume of the combustion chamber 5 increases when the piston 4 is positioned at the compression top dead center. Therefore, by rotating the camshafts 54 and 55, the piston 4 is compressed at the top dead center. The volume of the combustion chamber 5 when it is located at can be changed.

図2に示されるように各カムシャフト54,55を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ59の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア61,62が取付けられており、これらウォームギア61,62と噛合する歯車63,64が夫々各カムシャフト54,55の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ59を駆動することによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図1から図3に示される可変圧縮比機構Aは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in the opposite directions, a pair of worm gears 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shaft of the drive motor 59, respectively. Gears 63 and 64 meshing with the worm gears 61 and 62 are fixed to the end portions of the camshafts 54 and 55, respectively. In this embodiment, by driving the drive motor 59, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 is located at the compression top dead center can be changed over a wide range. The variable compression ratio mechanism A shown in FIGS. 1 to 3 shows an example, and any type of variable compression ratio mechanism can be used.

一方、図4は図1において吸気弁7を駆動するためのカムシャフト70の端部に取付けられた可変バルブタイミング機構Bを示している。図4を参照すると、この可変バルブタイミング機構Bは機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ71と、タイミングプーリ71と一緒に回転する円筒状ハウジング72と、吸気弁駆動用カムシャフト70と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング72に対して相対回転可能な回転軸73と、円筒状ハウジング72の内周面から回転軸73の外周面まで延びる複数個の仕切壁74と、各仕切壁74の間で回転軸73の外周面から円筒状ハウジング72の内周面まで延びるベーン75とを具備しており、各ベーン75の両側には夫々進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。   On the other hand, FIG. 4 shows the variable valve timing mechanism B attached to the end of the camshaft 70 for driving the intake valve 7 in FIG. Referring to FIG. 4, the variable valve timing mechanism B includes a timing pulley 71 that is rotated in the direction of an arrow by a crankshaft of an engine via a timing belt, a cylindrical housing 72 that rotates together with the timing pulley 71, an intake valve A rotating shaft 73 that rotates together with the driving camshaft 70 and is rotatable relative to the cylindrical housing 72, and a plurality of partition walls 74 that extend from the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 to the outer peripheral surface of the rotating shaft 73. And a vane 75 extending from the outer peripheral surface of the rotating shaft 73 to the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 between the partition walls 74, and an advance hydraulic chamber 76 on each side of each vane 75. A retarding hydraulic chamber 77 is formed.

各油圧室76,77への作動油の供給制御は作動油供給制御弁78によって行われる。この作動油供給制御弁78は各油圧室76,77に夫々連結された油圧ポート79,80と、油圧ポンプ81から吐出された作動油の供給ポート82と、一対のドレインポート83,84と、各ポート79,80,82,83,84間の連通遮断制御を行うスプール弁85とを具備している。   The hydraulic oil supply control to the hydraulic chambers 76 and 77 is performed by a hydraulic oil supply control valve 78. The hydraulic oil supply control valve 78 includes hydraulic ports 79 and 80 connected to the hydraulic chambers 76 and 77, a hydraulic oil supply port 82 discharged from the hydraulic pump 81, a pair of drain ports 83 and 84, And a spool valve 85 for controlling communication between the ports 79, 80, 82, 83, and 84.

吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を進角すべきときは図4においてスプール弁85が右方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート79を介して進角用油圧室76に供給されると共に遅角用油圧室77内の作動油がドレインポート84から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印方向に相対回転せしめられる。   When the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 should be advanced, the spool valve 85 is moved to the right in FIG. 4 and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 is advanced via the hydraulic port 79. The hydraulic oil in the retard hydraulic chamber 77 is discharged from the drain port 84 while being supplied to the hydraulic chamber 76. At this time, the rotary shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction of the arrow.

これに対し、吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を遅角すべきときは図4においてスプール弁85が左方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート80を介して遅角用油圧室77に供給されると共に進角用油圧室76内の作動油がドレインポート83から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印と反対方向に相対回転せしめられる。   On the other hand, when the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 should be retarded, the spool valve 85 is moved to the left in FIG. 4, and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 causes the hydraulic port 80 to move. The hydraulic oil in the advance hydraulic chamber 76 is discharged from the drain port 83 while being supplied to the retard hydraulic chamber 77. At this time, the rotating shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction opposite to the arrow.

回転軸73が円筒状ハウジング72に対して相対回転せしめられているときにスプール弁85が図4に示される中立位置に戻されると回転軸73の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸73はそのときの相対回転位置に保持される。従って可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。   If the spool valve 85 is returned to the neutral position shown in FIG. 4 while the rotation shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72, the relative rotation operation of the rotation shaft 73 is stopped, and the rotation shaft 73 is The relative rotation position at that time is held. Therefore, the variable valve timing mechanism B can advance and retard the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 by a desired amount.

図5において実線は可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も遅角されているときを示している。従って吸気弁7の開弁期間は図5において実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設定することができ、従って吸気弁7の閉弁時期も図5において矢印Cで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。   In FIG. 5, the solid line shows the time when the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 is advanced the most by the variable valve timing mechanism B, and the broken line shows the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 being the most advanced. It shows when it is retarded. Therefore, the valve opening period of the intake valve 7 can be arbitrarily set between the range indicated by the solid line and the range indicated by the broken line in FIG. 5, and therefore the closing timing of the intake valve 7 is also the range indicated by the arrow C in FIG. Any crank angle can be set.

図1および図4に示される可変バルブタイミング機構Bは一例を示すものであって、例えば吸気弁の開弁時期を一定に維持したまま吸気弁の閉弁時期のみを変えることのできる可変バルブタイミング機構等、種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。   The variable valve timing mechanism B shown in FIG. 1 and FIG. 4 shows an example. For example, the variable valve timing that can change only the closing timing of the intake valve while keeping the opening timing of the intake valve constant. Various types of variable valve timing mechanisms, such as mechanisms, can be used.

次に図6を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図6の(A),(B),(C)には説明のために燃焼室容積が50mlでピストンの行程容積が500mlであるエンジンが示されており、これら図6の(A),(B),(C)において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。   Next, the meanings of terms used in the present application will be described with reference to FIG. 6 (A), (B), and (C) show an engine having a combustion chamber volume of 50 ml and a piston stroke volume of 500 ml for the sake of explanation. , (B), (C), the combustion chamber volume represents the volume of the combustion chamber when the piston is located at the compression top dead center.

図6(A)は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(A)に示される例ではこの機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。   FIG. 6A explains the mechanical compression ratio. The mechanical compression ratio is a value mechanically determined only from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the compression stroke, and this mechanical compression ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6A, this mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

図6(B)は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は(燃焼室容積+実際の行程容積)/燃焼室容積で表される。即ち、図6(B)に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図6(B)に示される例では実圧縮比は(50ml+450ml)/50ml=10となる。   FIG. 6B describes the actual compression ratio. This actual compression ratio is a value determined from the actual piston stroke volume and the combustion chamber volume from when the compression action is actually started until the piston reaches top dead center, and this actual compression ratio is (combustion chamber volume + actual (Stroke volume) / combustion chamber volume. That is, as shown in FIG. 6B, even if the piston starts to rise in the compression stroke, the compression operation is not performed while the intake valve is open, and the actual compression is performed from the time when the intake valve is closed. The action begins. Therefore, the actual compression ratio is expressed as described above using the actual stroke volume. In the example shown in FIG. 6B, the actual compression ratio is (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.

図6(C)は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(C)に示される例ではこの膨張比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。   FIG. 6C illustrates the expansion ratio. The expansion ratio is a value determined from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the expansion stroke, and this expansion ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6C, this expansion ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

次に図7および図8を参照しつつ本発明において用いられている超高膨張比サイクルについて説明する。なお、図7は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図8は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。   Next, an ultra-high expansion ratio cycle used in the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.

図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ吸気下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図8(A)に示す例でも図6の(A),(B),(C)に示す例と同様に燃焼室容積が50mlとされ、ピストンの行程容積が500mlとされている。図8(A)からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11であり、実圧縮比もほぼ11であり、膨張比も(50ml+500ml)/50ml=11となる。即ち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。   FIG. 8A shows a normal cycle when the intake valve closes near the bottom dead center and the compression action by the piston is started from the vicinity of the intake bottom dead center. In the example shown in FIG. 8A, the combustion chamber volume is 50 ml, and the stroke volume of the piston is 500 ml, as in the examples shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C. As can be seen from FIG. 8A, in a normal cycle, the mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, the actual compression ratio is almost 11, and the expansion ratio is also (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. That is, in a normal internal combustion engine, the mechanical compression ratio, the actual compression ratio, and the expansion ratio are substantially equal.

図7における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも12程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。   The solid line in FIG. 7 shows the change in theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio and the expansion ratio are substantially equal, that is, in a normal cycle. In this case, it can be seen that the theoretical thermal efficiency increases as the expansion ratio increases, that is, as the actual compression ratio increases. Therefore, in order to increase the theoretical thermal efficiency in a normal cycle, it is only necessary to increase the actual compression ratio. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.

一方、このような状況下で本発明者は機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分して理論熱効率を高めることについて検討し、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことを見い出したのである。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。   On the other hand, in this situation, the present inventor has studied to increase the theoretical thermal efficiency by strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio, and as a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the theoretical thermal efficiency The actual compression ratio has been found to have little effect. That is, if the actual compression ratio is increased, the explosive force is increased, but a large amount of energy is required for compression. Thus, even if the actual compression ratio is increased, the theoretical thermal efficiency is hardly increased.

これに対し、膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。従って膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図7の破線ε=10は実圧縮比を10に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図7の実線で示す如く実圧縮比も膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。   On the other hand, when the expansion ratio is increased, the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke becomes longer, and thus the period during which the piston applies the rotational force to the crankshaft becomes longer. Therefore, the larger the expansion ratio, the higher the theoretical thermal efficiency. The broken line ε = 10 in FIG. 7 indicates the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased with the actual compression ratio fixed at 10. Thus, the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased while the actual compression ratio is maintained at a low value, and the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio is increased with the expansion ratio as shown by the solid line in FIG. It can be seen that there is no significant difference from the amount of increase.

このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、従って実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図8(B)は可変圧縮比機構Aおよび可変バルブタイミング機構Bを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。   Thus, if the actual compression ratio is maintained at a low value, knocking does not occur. Therefore, if the expansion ratio is increased while the actual compression ratio is maintained at a low value, the theoretical thermal efficiency is reduced while preventing the occurrence of knocking. Can be greatly increased. FIG. 8B shows an example where the variable compression ratio mechanism A and variable valve timing mechanism B are used to increase the expansion ratio while maintaining the actual compression ratio at a low value.

図8(B)を参照すると、この例では可変圧縮比機構Aにより燃焼室容積が50mlから20mlまで減少せしめられる。一方、可変バルブタイミング機構Bによって実際のピストン行程容積が500mlから200mlになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は(20ml+200ml)/20ml=11となり、膨張比は(20ml+500ml)/20ml=26となる。図8(A)に示される通常のサイクルでは前述したように実圧縮比がほぼ11で膨張比が11であり、この場合に比べると図8(B)に示される場合には膨張比のみが26まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。   Referring to FIG. 8B, in this example, the variable compression ratio mechanism A reduces the combustion chamber volume from 50 ml to 20 ml. On the other hand, the variable valve timing mechanism B delays the closing timing of the intake valve until the actual piston stroke volume is reduced from 500 ml to 200 ml. As a result, in this example, the actual compression ratio is (20 ml + 200 ml) / 20 ml = 11, and the expansion ratio is (20 ml + 500 ml) / 20 ml = 26. In the normal cycle shown in FIG. 8A, the actual compression ratio is almost 11 and the expansion ratio is 11, as described above. Compared with this case, only the expansion ratio is shown in FIG. 8B. It can be seen that it has been increased to 26. This is why it is called an ultra-high expansion ratio cycle.

一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室5内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、従ってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。従って本発明では機関負荷が比較的低いときには図8(B)に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図8(A)に示す通常のサイクルとするようにしている。   Generally speaking, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, that is, to improve fuel efficiency, it is necessary to improve the thermal efficiency when the engine load is low. Necessary. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the combustion chamber 5 is reduced. The expansion ratio cycle can only be adopted when the engine load is relatively low. Therefore, in the present invention, when the engine load is relatively low, the super high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is used, and during the high engine load operation, the normal cycle shown in FIG. 8A is used.

次に図9を参照しつつ基本的な運転制御全般について説明する。
図9には或る機関回転数における機関負荷に応じた機械圧縮比、膨張比、吸気弁7の閉弁時期、実圧縮比、吸入空気量およびスロットル弁17の開度の各変化が示されている。なお、図9は、触媒コンバータ20内の三元触媒によって排気ガス中の未燃HC,COおよびNOxを同時に低減しうるように燃焼室5内における平均空燃比が空燃比センサ21の出力信号に基いて理論空燃比にフィードバック制御されている場合を示している。
Next, the basic operation control in general will be described with reference to FIG.
FIG. 9 shows changes in the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the closing timing of the intake valve 7, the actual compression ratio, the intake air amount, and the opening degree of the throttle valve 17 according to the engine load at a certain engine speed. ing. 9 shows that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the output signal of the air-fuel ratio sensor 21 so that unburned HC, CO and NO x in the exhaust gas can be simultaneously reduced by the three-way catalyst in the catalytic converter 20. This shows a case where feedback control is performed to the stoichiometric air-fuel ratio based on the above.

さて、前述したように機関高負荷運転時には図8(A)に示される通常のサイクルが実行される。従って図9に示されるようにこのときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、図9に示されるように吸気弁7の閉弁時期は図5において実線で示される如く進角されている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁17の開度は全開に保持されている。   As described above, the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is executed during engine high load operation. Accordingly, as shown in FIG. 9, the expansion ratio is low because the mechanical compression ratio is lowered at this time, and the closing timing of the intake valve 7 is advanced as shown by the solid line in FIG. 5 as shown in FIG. Yes. At this time, the intake air amount is large, and at this time, the opening degree of the throttle valve 17 is kept fully open.

一方、図9に示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁7の閉弁時期が遅角くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図9に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、従って機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁17は全開状態に保持されており、従って燃焼室5内に供給される吸入空気量はスロットル弁17によらずに吸気弁7の閉弁時期を変えることによって制御されている。   On the other hand, as shown in FIG. 9, when the engine load becomes low, the closing timing of the intake valve 7 is retarded so as to reduce the intake air amount. Further, at this time, as shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is increased as the engine load is lowered so that the actual compression ratio is kept substantially constant. Therefore, the expansion ratio is also increased as the engine load is lowered. At this time, the throttle valve 17 is kept fully open, and therefore the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 is controlled by changing the closing timing of the intake valve 7 regardless of the throttle valve 17. Has been.

このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。即ち、吸入空気量の減少に比例してピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積が減少せしめられる。従ってピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき図9に示される例では燃焼室5内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は燃料量に比例して変化していることになる。   As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is decreased in proportion to the decrease in the intake air amount. Therefore, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the intake air amount. At this time, in the example shown in FIG. 9, the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio, so the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is proportional to the fuel amount. Will change.

機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷Lまで低下すると機械圧縮比は燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Lよりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、機関低負荷運転側では機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると機関低負荷運転側では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。   When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased, and when the engine load is lowered to a medium load L slightly close to a low load, the mechanical compression ratio reaches a limit mechanical compression ratio that is a structural limit of the combustion chamber 5. When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio, the mechanical compression ratio is maintained at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load L when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio. Accordingly, the mechanical compression ratio is maximized and the expansion ratio is maximized at the time of low engine load operation and low engine load operation, that is, at the engine low load operation side. In other words, the mechanical compression ratio is maximized so that the maximum expansion ratio is obtained on the engine low load operation side.

一方、図9に示される実施例では、機関負荷がLまで低下すると吸気弁7の閉弁時期が燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Lよりも負荷の低い領域では吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 9, when the engine load decreases to L, the closing timing of the intake valve 7 becomes the limit closing timing that can control the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5. When the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve 7 is in a region where the load is lower than the engine load L when the closing timing of the intake valve 7 reaches the closing timing. It is held at the limit closing timing.

吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁7の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図9に示される実施例ではこのとき、即ち吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Lよりも負荷の低い領域ではスロットル弁17によって燃焼室5内に供給される吸入空気量が制御される。このときスロットル弁17の開度は機関負荷が低下するほど小さくされる。   When the closing timing of the intake valve 7 is held at the limit closing timing, the amount of intake air can no longer be controlled by changing the closing timing of the intake valve 7. In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L when the valve closing timing of the intake valve 7 reaches the limit valve closing timing, the intake valve 7 is supplied into the combustion chamber 5 by the throttle valve 17. The amount of intake air to be controlled is controlled. At this time, the opening degree of the throttle valve 17 is made smaller as the engine load decreases.

なお、前述したように図8(B)に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が26とされる。この膨張比は高いほど好ましいが図7からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε=5に対しても20以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本発明では膨張比が20以上となるように可変圧縮比機構Aが形成されている。   As described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. The higher the expansion ratio, the better. However, as can be seen from FIG. 7, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained if it is 20 or more with respect to the practically usable lower limit actual compression ratio ε = 5. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.

次に図10を参照しつつ吸気ポート8内の圧力変化について説明する。図10の縦軸は吸気ポート8内の圧力を示しており、図10の横軸は吸気行程が開始されたときからのクランク角を示している。また、図10の実線は吸気弁7の開弁期間中および閉弁時に吸気ポート8内に発生する圧力を図解的に示している。即ち、図10において実線で示されるように吸気行程が開始されてピストン4が下降すると吸気ポート8内には負圧が発生する。次いでピストン4が吸気下死点(BDC)を過ぎて上昇を開始するとピストン4により圧縮された空気が吸気ポート8内に押し出されるために吸気ポート8内には正圧が発生する。   Next, the pressure change in the intake port 8 will be described with reference to FIG. The vertical axis in FIG. 10 indicates the pressure in the intake port 8, and the horizontal axis in FIG. 10 indicates the crank angle from when the intake stroke is started. Further, the solid line in FIG. 10 schematically shows the pressure generated in the intake port 8 during the opening period and closing of the intake valve 7. That is, as shown by the solid line in FIG. 10, when the intake stroke starts and the piston 4 descends, negative pressure is generated in the intake port 8. Next, when the piston 4 starts to rise past the intake bottom dead center (BDC), the air compressed by the piston 4 is pushed into the intake port 8, and a positive pressure is generated in the intake port 8.

一方、図10においてIC1は高負荷運転時における吸気弁7の閉弁時期、即ち最も進角されたときの吸気弁7の閉弁時期を示しており、IC2は限界閉弁時期、即ち最も遅角されたときの吸気弁7の閉弁時期を示している。IC1で示されるように吸気弁7の閉弁時期が最も進角されているときにはピストン4による吸入空気の圧縮作用が開始されるとすぐに吸気弁7が閉弁せしめられるので吸気ポート8内には大きな正圧は発生しない。 On the other hand, in FIG. 10, IC 1 indicates the closing timing of the intake valve 7 at the time of high load operation, that is, the closing timing of the intake valve 7 at the most advanced angle, and IC 2 is the limit closing timing, that is, The closing timing of the intake valve 7 when it is most retarded is shown. As indicated by IC 1 , when the closing timing of the intake valve 7 is most advanced, the intake valve 7 is closed as soon as the compression action of the intake air by the piston 4 is started. A large positive pressure is not generated.

これに対し、IC2で示されるように吸気弁7の閉弁時期が最も遅角されているときにはピストン4による吸入空気の圧縮作用が十分に進行した後に吸気弁7が閉弁せしめられるので吸気ポート8内には大きな正圧が発生することになる。この場合、概略的に言うと吸気弁7の閉弁時期の遅角量が大きくなるほど吸気ポート8内には大きな正圧が発生することになる。 On the other hand, as indicated by IC 2 , when the closing timing of the intake valve 7 is most retarded, the intake valve 7 is closed after the intake air is sufficiently compressed by the piston 4. A large positive pressure is generated in the port 8. In this case, roughly speaking, as the retard amount of the closing timing of the intake valve 7 increases, a larger positive pressure is generated in the intake port 8.

さて、上述したように吸気行程時においてピストン4が下降すると吸気ポート8内には負圧が発生する。この負圧はサージタンク12への開口端で反射し、正圧の形で再び吸気ポート8内に戻ってくる。一方、上述したように吸気弁7の閉弁時期が遅角されるとピストン4により圧縮された空気が吸気ポート8内に押し出されるために吸気ポート8内に正圧が発生する。この正圧がサージタンク12への開口端から戻ってきた正圧に重疊されると吸気ポート8内に大きな正圧が発生し、その結果、吸気通路内には吸気干渉によって激しい圧力脈動が生じることになる。   As described above, when the piston 4 is lowered during the intake stroke, a negative pressure is generated in the intake port 8. This negative pressure is reflected at the opening end to the surge tank 12, and returns to the intake port 8 again in the form of a positive pressure. On the other hand, as described above, when the closing timing of the intake valve 7 is retarded, the air compressed by the piston 4 is pushed into the intake port 8, so that a positive pressure is generated in the intake port 8. When this positive pressure is superimposed on the positive pressure returned from the opening end to the surge tank 12, a large positive pressure is generated in the intake port 8, and as a result, intense pressure pulsation is generated in the intake passage due to intake air interference. It will be.

ところでこのような吸気干渉による圧力脈動が生じたときにスロットル弁17が閉弁せしめられていた場合には上流へ向けての圧力脈動の伝播がスロットル弁17によって阻害され、斯くしてスロットル弁17よりも上流への圧力脈動の伝播が抑制される。これに対し、このような圧力脈動が生じたときにスロットル弁17が全開状態に保持されていた場合にはこの圧力脈動はスロットル弁17により邪魔されることなく空気取入口、即ち吸気ダクト14の上流端まで伝播する。しかしながらこのように圧力脈動が空気取入口まで伝播せしめられると騒音が発生し、また吸入空気量検出器18が測定誤差を生ずるという問題を生ずる。   By the way, when the throttle valve 17 is closed when such pressure pulsation due to intake interference occurs, the propagation of the pressure pulsation upstream is inhibited by the throttle valve 17, and thus the throttle valve 17 Propagation of pressure pulsations upstream is suppressed. On the other hand, if the throttle valve 17 is kept fully open when such pressure pulsation occurs, the pressure pulsation is not obstructed by the throttle valve 17, that is, the intake duct 14. Propagates to the upstream end. However, when the pressure pulsation is propagated to the air intake port as described above, noise is generated, and the intake air amount detector 18 causes a measurement error.

なお、激しい圧力脈動が発生するのは、ピストン4による圧縮空気の押し出し作用により吸気ポート8内に発生する正圧がサージタンク12への開口端から戻ってきた正圧に重疊したときであり、このような正圧の重疊作用は吸気ポート8とサージタンク12への開放端間における圧力波の往復時間から定まる特定の機関回転数の範囲において生ずる。図1に示される内燃機関ではこの回転数範囲は図11においてN1とN2との間である。なお、図11はスロットル弁17が全開状態にあるときに吸気干渉による圧力脈動によって空気取入口に発生する圧力変動の大きさを示している。 The intense pressure pulsation occurs when the positive pressure generated in the intake port 8 due to the pushing action of the compressed air by the piston 4 overlaps with the positive pressure returned from the opening end to the surge tank 12, Such heavy pressure action occurs in a specific engine speed range determined from the reciprocation time of the pressure wave between the intake port 8 and the open end to the surge tank 12. In the internal combustion engine shown in FIG. 1, this rotational speed range is between N 1 and N 2 in FIG. FIG. 11 shows the magnitude of pressure fluctuation generated at the air intake port due to pressure pulsation due to intake air interference when the throttle valve 17 is fully open.

これまでの説明からわかるように吸気弁7の遅角量が大きくなると圧力脈動が激しくなり、またスロットル弁17の開度が大きくなるほど空気取入口に到達する圧力脈動は強くなる。即ち、吸気弁7の閉弁時期の遅角量およびスロットル弁17の開度が大きくなると吸気干渉に基づく騒音が大きくなる。そこで本発明では騒音を低減すべき運転状態のときにはスロットル弁17の開度を小さくすると共に吸気弁7の閉弁時期を進角させるようにしている。次にこのことについて図12を参照しつつ説明する。   As can be understood from the above description, when the retard amount of the intake valve 7 is increased, the pressure pulsation becomes intense, and as the opening of the throttle valve 17 is increased, the pressure pulsation reaching the air intake becomes stronger. That is, when the retard amount of the closing timing of the intake valve 7 and the opening degree of the throttle valve 17 are increased, noise based on intake interference increases. Therefore, in the present invention, the opening degree of the throttle valve 17 is reduced and the closing timing of the intake valve 7 is advanced in an operating state in which noise should be reduced. Next, this will be described with reference to FIG.

図12は図9と同様な図であって負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示している。なお、図12において破線は図9に示される基本的な運転制御時における機械圧縮比等の変化を示している。図12に示されるように本発明によれば機関の運転状態が騒音を低減すべき負荷L付近の運転状態のときにはスロットル弁17の開度が低下せしめられ、吸気弁7の閉弁時期が進角される。このようにスロットル弁17の開度が小さくされると圧力脈動の伝播が抑制される。一方、吸気弁7の閉弁時期が進角されると吸気ポート8内に発生すると正圧が弱められ、斯くして圧力脈動が弱められる。その結果、騒音の発生を抑制することができることになる。   FIG. 12 is a view similar to FIG. 9 and shows changes in the mechanical compression ratio and the like according to the load. In FIG. 12, broken lines indicate changes in the mechanical compression ratio and the like during the basic operation control shown in FIG. As shown in FIG. 12, according to the present invention, when the engine is operating near the load L where noise is to be reduced, the opening of the throttle valve 17 is lowered and the closing timing of the intake valve 7 is advanced. Horned. Thus, when the opening degree of the throttle valve 17 is reduced, the propagation of pressure pulsation is suppressed. On the other hand, when the closing timing of the intake valve 7 is advanced, if it occurs in the intake port 8, the positive pressure is weakened, and thus the pressure pulsation is weakened. As a result, noise generation can be suppressed.

また、スロットル弁17の開度が低下せしめられたときに吸気弁7の閉弁時期を進角するのは要求吸入空気量を満たすためでもある。また、図12に示されるように吸気弁7の閉弁時期が進角されたときには圧縮端圧力および圧縮端温度が過度に上昇しないように、即ち実圧縮比を一定に維持するために機械圧縮比が低下せしめられる。   Further, the advancement of the closing timing of the intake valve 7 when the opening of the throttle valve 17 is reduced is also to satisfy the required intake air amount. Further, as shown in FIG. 12, when the closing timing of the intake valve 7 is advanced, the mechanical compression is performed so that the compression end pressure and the compression end temperature do not increase excessively, that is, to maintain the actual compression ratio constant. The ratio is lowered.

前述したように騒音が発生するのは吸気弁7の閉弁時期の遅角量が大きくかつスロットル弁17の開度が大きいとき、即ち図12において負荷L付近である。そこで本発明による実施例では図12において負荷Lを含むL1とL2間の負荷領域においてスロットル弁17の開度を低下させ、吸気弁7の閉弁時期を進角させ、機械圧縮比を低下させるようにしている。なお、図12に示される実施例ではスロットル弁17の開度、吸気弁7の閉弁時期および機械圧縮比は負荷L1と負荷L2との間で負荷の変化に応じ直線的に変化せしめられる。 As described above, noise is generated when the retard amount of the closing timing of the intake valve 7 is large and the opening degree of the throttle valve 17 is large, that is, in the vicinity of the load L in FIG. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the opening degree of the throttle valve 17 is lowered in the load region between L 1 and L 2 including the load L in FIG. 12, the closing timing of the intake valve 7 is advanced, and the mechanical compression ratio is set. I try to lower it. Incidentally, the opening degree of the throttle valve 17 in the embodiment shown in FIG. 12, the closing timing and the mechanical compression ratio of the intake valve 7 is changed linearly allowed according to the change of the load between the load L 1 and the load L 2 It is done.

即ち、本発明による実施例では、騒音を低減すべき運転状態として騒音が高くなるL1とL2間の負荷領域およびN1とN2間の回転数領域が予め求められており、機関負荷がL1とL2間の負荷領域内となりかつ機関回転数がN1とN2間の回転数領域内となったときにスロットル弁17の開度が小さくされると共に吸気弁7の閉弁時期が進角される。 That is, in the embodiment according to the present invention, the load region between L 1 and L 2 and the rotation speed region between N 1 and N 2 where the noise increases as the operating state in which noise should be reduced are obtained in advance, and the engine load Is within the load range between L 1 and L 2 and the engine speed is within the speed range between N 1 and N 2 , the opening of the throttle valve 17 is reduced and the intake valve 7 is closed. The time is advanced.

この場合、L1とL2間の負荷領域は、吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期となる負荷Lを中心として高負荷側および低負荷側に広がる負荷領域とされている。 In this case, the load region between L 1 and L 2 is a load region that spreads to the high load side and the low load side around the load L at which the closing timing of the intake valve 7 becomes the limit closing timing.

次に図13に示される運転制御ルーチンについて説明する。
図13を参照するとまず初めにステップ100において機関負荷がL1とL2間の負荷領域内にあるか否かが判別される。機関負荷がL1とL2間の負荷領域内にないときにはステップ102に進む。これに対し、機関負荷がL1とL2間の負荷領域内にあるときにはステップ101に進んで機関回転数がN1とN2間の回転数領域内にあるか否かが判別される。機関回転数がN1とN2間の回転数領域内にないときにはステップ102に進む。
Next, the operation control routine shown in FIG. 13 will be described.
Referring to FIG. 13, first, at step 100, it is judged if the engine load is within the load region between L 1 and L 2 . When the engine load is not within the load region between L 1 and L 2 , the routine proceeds to step 102. On the other hand, when the engine load is within the load range between L 1 and L 2 , the routine proceeds to step 101 where it is judged if the engine speed is within the range between N 1 and N 2 . When the engine speed is not within the speed range between N 1 and N 2 , the routine proceeds to step 102.

ステップ102からステップ104では図9に示される基本的な運転制御が行われる。即ち、ステップ102では図14(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。即ち、図9に示されるような基本的な運転制御が行われるときに要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期ICが機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図14(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。   From step 102 to step 104, the basic operation control shown in FIG. 9 is performed. That is, at step 102, the closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. That is, when the basic operation control as shown in FIG. 9 is performed, the closing timing IC of the intake valve 7 necessary for supplying the required intake air amount into the combustion chamber 5 is determined by the engine load L and the engine speed. As a function of the number N, it is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as shown in FIG. 14A, and the valve closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from this map.

次いでステップ103では実圧縮比を一定とするのに必要な機械圧縮比CRが算出される。次いでステップ104では図9に示されるような基本的な運転制御が行われるときのスロットル弁17の開度θが算出される。このスロットル弁17の開度θは機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図14(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。次いでステップ105では機械圧縮比が機械圧縮比CRとなるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期ICとなるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、スロットル弁17の開度が開度θとなるようにスロットル弁17が制御される。   Next, at step 103, a mechanical compression ratio CR necessary for making the actual compression ratio constant is calculated. Next, at step 104, the opening degree θ of the throttle valve 17 when the basic operation control as shown in FIG. 9 is performed is calculated. The opening θ of the throttle valve 17 is stored in advance in the ROM 32 as a function of the engine load L and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG. Next, at step 105, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC, The throttle valve 17 is controlled so that the opening degree of the throttle valve 17 becomes the opening degree θ.

一方、ステップ101において機関回転数がN1とN2間の回転数領域内にあると判断されたときにはステップ106に進み、図12に示される騒音制御のための運転制御が行われる。即ち、ステップ106では図15(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期IC’が算出される。即ち、図12に示される騒音抑制のための運転制御が行われるときに要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期IC’が機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図15(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから吸気弁7の閉弁時期IC’が算出される。 On the other hand, when it is determined in step 101 that the engine speed is within the engine speed range between N 1 and N 2 , the routine proceeds to step 106 where operation control for noise control shown in FIG. 12 is performed. That is, at step 106, the closing timing IC ′ of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. That is, when the operation control for noise suppression shown in FIG. 12 is performed, the closing timing IC ′ of the intake valve 7 necessary for supplying the required intake air amount into the combustion chamber 5 is the engine load L and the engine. As a function of the rotational speed N, it is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as shown in FIG. 15A, and the closing timing IC ′ of the intake valve 7 is calculated from this map.

次いでステップ107では実圧縮比を一定とするのに必要な機械圧縮比CR’が算出される。次いでステップ108では図12に示される騒音抑制のための運転制御が行われるときのスロットル弁17の開度θ’が算出される。このスロットル弁17の開度θ’は機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図15(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。次いでステップ105では機械圧縮比が機械圧縮比CR’となるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期IC’となるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、スロットル弁17の開度が開度θ’となるようにスロットル弁17が制御される。   Next, at step 107, a mechanical compression ratio CR 'necessary for making the actual compression ratio constant is calculated. Next, at step 108, the opening degree θ 'of the throttle valve 17 when the operation control for noise suppression shown in FIG. 12 is performed is calculated. The opening θ ′ of the throttle valve 17 is stored in advance in the ROM 32 as a function of the engine load L and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG. Next, at step 105, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR ′, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC ′. Then, the throttle valve 17 is controlled so that the opening degree of the throttle valve 17 becomes the opening degree θ ′.

図16に別の実施例を示す。この実施例ではサージタンク12を包囲するように各気筒の吸気枝管11が延びており、サージタンク12内には吸気流入口22から吸入空気が流入する。各吸気枝管11の途中は連通口23を介してサージタンク22内に連通されており、各吸気枝管11内には夫々吸気管長を変えるための切換弁24が配置されている。図16において実線で示されるように切換弁24が連通口23を開放しかつ対応する吸気枝管11内を遮断すると吸気管長は短かくなり、図16において破線で示されるように切換弁24が連通口23を閉鎖すると吸気管長は長くなる。   FIG. 16 shows another embodiment. In this embodiment, the intake branch pipe 11 of each cylinder extends so as to surround the surge tank 12, and intake air flows into the surge tank 12 from the intake inlet 22. In the middle of each intake branch pipe 11, it communicates with the inside of the surge tank 22 via the communication port 23, and a switching valve 24 for changing the intake pipe length is arranged in each intake branch pipe 11. When the switching valve 24 opens the communication port 23 and shuts off the corresponding intake branch pipe 11 as shown by a solid line in FIG. 16, the intake pipe length becomes short. As shown by the broken line in FIG. When the communication port 23 is closed, the length of the intake pipe becomes longer.

この実施例では通常は、サージタンク12への開口端で反射した圧力波が吸気弁7の開弁時に正圧の形で吸気ポート8内に戻ってくるように切換弁24の切換作用により機関回転数が高いときには吸気枝管が短かくされ、機関回転数が低いときには吸気枝管が長くされる。しかしながら吸気弁7の閉弁期間が最も遅角される機関低負荷側では機関低回転側において前述した吸気ポート8内における正圧の重疊作用により激しい圧力脈動が生ずる危険性がある。そこでこの実施例では図17に示されるように反射波の到達タイミングをずらすために機関負荷がL0よりも低い機関低負荷側にありかつ機関回転数がN0よりも低い機関低回転側にあるときには吸気管長が短かくされる。 In this embodiment, the engine is normally operated by the switching action of the switching valve 24 so that the pressure wave reflected at the opening end to the surge tank 12 returns into the intake port 8 in the form of positive pressure when the intake valve 7 is opened. When the engine speed is high, the intake branch pipe is shortened, and when the engine speed is low, the intake branch pipe is lengthened. However, on the engine low load side where the valve closing period of the intake valve 7 is most retarded, there is a risk that severe pressure pulsation may occur due to the above-described heavy pressure action in the intake port 8 on the engine low rotation side. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 17, in order to shift the arrival timing of the reflected wave, the engine load is on the engine low load side lower than L 0 and the engine speed is lower than N 0. In some cases, the intake pipe length is shortened.

1 クランクケース
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 燃焼室
7 吸気弁
17 スロットル弁
70 吸気弁駆動用カムシャフト
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankcase 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Piston 5 Combustion chamber 7 Intake valve 17 Throttle valve 70 Intake valve drive camshaft A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (4)

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁とを具備した火花点火式内燃機関において、吸気弁の閉弁時期の遅角量およびスロットル弁の開度が大きくなると吸気干渉に基づく騒音が大きくなり、該騒音を低減すべき運転状態のときにはスロットル弁の開度を小さくすると共に吸気弁の閉弁時期を進角させるようにした火花点火式内燃機関。   In a spark ignition internal combustion engine comprising a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and a throttle valve disposed in the engine intake passage, When the retard amount of the closing timing of the intake valve and the opening of the throttle valve are increased, noise due to intake interference increases, and when the operating state is to reduce the noise, the opening of the throttle valve is reduced and the intake valve A spark ignition internal combustion engine that advances the valve closing timing. 上記騒音を低減すべき運転状態のときに機械圧縮比を低下させるようにした請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the mechanical compression ratio is lowered in an operating state in which the noise is to be reduced. 上記騒音を低減すべき運転状態として騒音が高くなる負荷領域および回転数領域が予め求められており、機関負荷が該負荷領域内となりかつ機関回転数が該回転数領域内となったときにスロットル弁の開度を小さくすると共に吸気弁の閉弁時期を進角させるようにした請求項1又は請求項2に記載の火花点火式内燃機関。   A load region and a rotational speed region where the noise increases as an operating state in which the noise is to be reduced are obtained in advance, and the throttle is set when the engine load is within the load region and the engine rotational speed is within the rotational speed region. The spark ignition internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the opening degree of the valve is reduced and the closing timing of the intake valve is advanced. 吸気弁の閉弁時期に対して吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期が予め設定されており、上記負荷領域は、吸気弁の閉弁時期が該限界閉弁時期となる負荷を中心として高負荷側および低負荷側に広がる負荷領域とされる請求項3に記載の火花点火式内燃機関。   A limit valve closing timing capable of controlling the intake air amount with respect to the valve closing timing of the intake valve is set in advance, and the load region is centered on a load at which the valve closing timing of the intake valve becomes the limit valve closing timing. The spark ignition type internal combustion engine according to claim 3, wherein the spark ignition type internal combustion engine is a load region extending to a high load side and a low load side.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013133730A (en) * 2011-12-26 2013-07-08 Toyota Motor Corp Internal combustion engine with variable compression ratio mechanism

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