JP2012233439A - Spark-ignition internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a fuel consumption to surely be improved with a simpler configuration of an internal combustion engine including a variable compression ratio mechanism that can change a mechanical compression ratio of the internal combustion engine even when an engine load is within an extremely low load range.SOLUTION: The spark-ignition internal combustion engine includes the variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio, and a variable valve timing mechanism that can control a closing timing of an intake valve. The mechanical compression ratio during a low engine load operation is increased, compared to during an engine mid-high load operation. However, even during the low engine load operation, if the engine load is in the extremely low load range, the mechanical compression ratio is reduced, compared to during the low engine load operation.

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.

内燃機関の燃費性能や出力性能を向上させることを目的として、内燃機関の機械圧縮比を変更可能にする可変圧縮比機構と、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を備える火花点火式内燃機関の提案がなされている。例えば、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を具備し、機関中負荷運転時および機関高負荷運転時には実圧縮比を一定に保持した状態で機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比を増大すると共に吸気弁の閉弁時期を遅くするようにされ、また、熱効率の向上を図るべく機関低負荷運転時に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ように構成される火花点火式内燃機関が知られている。   For the purpose of improving the fuel consumption performance and output performance of the internal combustion engine, a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio of the internal combustion engine and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve are provided. A spark ignition internal combustion engine has been proposed. For example, a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve are provided, and the actual compression ratio is kept constant during engine load operation and engine load operation. The mechanical compression ratio is increased and the closing timing of the intake valve is delayed as the engine load is lowered in the held state, and the maximum expansion ratio is obtained during engine low load operation in order to improve thermal efficiency. There is known a spark ignition internal combustion engine configured to maximize the mechanical compression ratio.

機械圧縮比の変更を可能とする可変圧縮比機構は、例えば、カム機構などを利用して、内燃機関の燃焼室を構成する機関要素であるシリンダブロックをクランクケースに対して相対的に移動させることで、燃焼室の容積を変更して内燃機関の機械圧縮比を変更するように構成され、機械圧縮比を低圧縮比化する場合には燃焼室容積を増加させるように制御され、一方で、機械圧縮比を高圧縮比化する場合には燃焼室容積を減少させるように制御される。   A variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio uses, for example, a cam mechanism to move a cylinder block that is an engine element constituting a combustion chamber of an internal combustion engine relative to a crankcase. By changing the volume of the combustion chamber, the mechanical compression ratio of the internal combustion engine is changed, and when the mechanical compression ratio is lowered, the combustion chamber volume is controlled to be increased. When the mechanical compression ratio is increased, the combustion chamber volume is controlled to be reduced.

特開2005−226572号公報JP 2005-226572 A

ところで、上記のような可変圧縮比機構においては、機械圧縮比が高圧縮比化されると、燃焼室の容積に対する燃焼室の表面積の比(以下、S/V比と称する。)が大きくなり、S/V比が小さいときに比べて燃焼室内で発生した熱が放熱され易くなるという現象が生じ、これにより、冷却損失が増加して熱効率向上の効果が低下するという場合がある。   In the variable compression ratio mechanism as described above, when the mechanical compression ratio is increased, the ratio of the surface area of the combustion chamber to the volume of the combustion chamber (hereinafter referred to as S / V ratio) increases. The phenomenon that the heat generated in the combustion chamber is easily dissipated compared to when the S / V ratio is small occurs, which may increase the cooling loss and reduce the effect of improving the thermal efficiency.

従って、熱効率の向上を図るべく機関低負荷運転時には高い膨張比が得られるように機械圧縮比が高圧縮比化されるように構成される内燃機関において、機関負荷が極低負荷領域にある場合であって機械圧縮比の高圧縮比化が実行される場合においては、膨張比増大による熱効率向上効果よりも、機械圧縮比の高圧縮比化による冷却損失の増加の方の影響が大きく、熱効率の悪化をもたらしてしまうという事態を生じてさせてしまう場合がありうる。   Therefore, in an internal combustion engine configured to increase the mechanical compression ratio so that a high expansion ratio can be obtained during engine low load operation in order to improve thermal efficiency, the engine load is in an extremely low load region However, when a higher compression ratio of the mechanical compression ratio is executed, the effect of increasing the cooling loss due to the higher compression ratio of the mechanical compression ratio is larger than the effect of improving the thermal efficiency by increasing the expansion ratio. It may cause a situation of deteriorating.

この点に関して特許文献1においては、燃焼室の容積を変化させることによって機械圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関において、高圧縮比時は、機関を冷却する冷却能力を低圧縮比時よりも低減させる構成、すなわち、S/V比が大きくなり、燃焼室内で発生した熱が放熱され易くなるにつれて、冷却手段による機関の冷却が抑制され、その結果、燃焼室からの放熱量が抑制されるという構成が開示されている。   In this regard, in Patent Document 1, in a variable compression ratio internal combustion engine in which the mechanical compression ratio is changed by changing the volume of the combustion chamber, the cooling capacity for cooling the engine is higher at the time of the high compression ratio than at the time of the low compression ratio. In other words, as the S / V ratio increases and the heat generated in the combustion chamber becomes easier to dissipate, cooling of the engine by the cooling means is suppressed, and as a result, the amount of heat released from the combustion chamber is suppressed. Is disclosed.

しかしながら、特許文献1に開示されている可変圧縮比内燃機関は、機関の冷却を抑制すべく冷却水の圧送量を減らすように構成されるものであり、このような構成においては、機械圧縮比の制御に加えて機械圧縮比の大きさに応じて冷却水の圧送量を制御する構成を必要とするものであり、また、冷却水の圧送量を減らしてから冷却損失が低減されるまでには相当の時間遅れが生じる場合があることが考えられる。   However, the variable compression ratio internal combustion engine disclosed in Patent Document 1 is configured to reduce the pumping amount of cooling water in order to suppress cooling of the engine. In such a configuration, the mechanical compression ratio is reduced. In addition to the above control, a configuration that controls the pumping amount of the cooling water according to the size of the mechanical compression ratio is required, and after the pumping amount of the cooling water is reduced, the cooling loss is reduced. It is possible that a considerable time delay may occur.

本発明は上記のような課題に鑑み、内燃機関の機械圧縮比を変更可能にする可変圧縮比機構と、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を備える火花点火式内燃機関であって、機械圧縮比の大きさに応じて冷却水の圧送量を制御するというような構成を必要とすることなく、機関負荷が極低負荷領域にある場合においても、より簡易な構成で且つ確実に燃費の向上を図りうる、火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a spark ignition type internal combustion engine including a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio of the internal combustion engine and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve. However, a simpler configuration is possible even when the engine load is in the extremely low load region without requiring a configuration for controlling the pumping amount of the cooling water according to the size of the mechanical compression ratio. It is another object of the present invention to provide a spark ignition type internal combustion engine that can improve fuel consumption reliably.

請求項1に記載の発明によれば、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を具備し、機関低負荷運転時には機関中高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高圧縮比化され、機関低負荷運転時であっても機関負荷が極低負荷領域内にあるときには機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比が低圧縮比化される、火花点火式内燃機関が提供される。   According to the first aspect of the present invention, the variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and the variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve are provided. The mechanical compression ratio is higher than that during load operation, and the mechanical compression ratio is lower than that during low engine load operation when the engine load is in the extremely low load range even during low engine load operation. A spark ignition internal combustion engine is provided.

すなわち、請求項1に記載の発明では、熱効率の向上を図るべく機関低負荷運転時には機関中高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高圧縮比化され、一方で、低負荷領域内においても機関負荷と機関回転数との両方が所定のレベルに達していないような極低負荷領域においては、機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比が低圧縮比化される。このような構成を有する本発明によれば、機関負荷が極低負荷領域にある場合においては、機械圧縮比を低圧縮比化することで、S/V比を小さくして冷却損失を改善し、燃費の向上を図ることを可能とする。尚、「機関低負荷」、「機関中高負荷」との記載に関しては、内燃機関が取りうる領域を3つの領域に分け、それを低い側から順に「低負荷領域」、「中負荷領域」、「高負荷領域」としたときの「低負荷領域」が「機関低負荷」に相当し、「中負荷領域」及び「高負荷領域」を合わせたものが「機関中高負荷」に相当する。また、「極低負荷領域」との記載については、上記でも述べたように、低負荷領域のうちでも、機関負荷と機関回転数との両方が所定のレベルに達していないような領域に相当し、例えば、機関の平均有効圧力(Pme)が0.2MPaよりも小さく且つ機関回転数が1200rpmよりも小さいというような領域に相当する。   That is, according to the first aspect of the present invention, the mechanical compression ratio is made higher in the engine low load operation than in the engine middle high load operation in order to improve the thermal efficiency. In an extremely low load region where both the engine speed and the engine speed do not reach the predetermined level, the mechanical compression ratio is reduced as compared with the engine low load operation. According to the present invention having such a configuration, when the engine load is in an extremely low load region, the S / V ratio is reduced and the cooling loss is improved by reducing the mechanical compression ratio. This makes it possible to improve fuel consumption. In addition, regarding the descriptions of “engine low load” and “engine medium high load”, the region that the internal combustion engine can take is divided into three regions, which are divided into “low load region”, “medium load region” in order from the lower side, “Low load range” when “high load range” is set corresponds to “engine low load”, and a combination of “medium load range” and “high load range” corresponds to “engine medium high load”. In addition, as described above, the description of “extremely low load region” corresponds to a region where both the engine load and the engine speed have not reached a predetermined level in the low load region. For example, it corresponds to a region where the average effective pressure (Pme) of the engine is smaller than 0.2 MPa and the engine speed is smaller than 1200 rpm.

請求項2に記載の発明によれば、機関低負荷運転時には最大膨張比が得られるように機械圧縮比が最大機械圧縮比とされ、機関低負荷運転時であっても機関負荷が極低負荷領域内にあるときには機械圧縮比が最大機械圧縮比から低圧縮比化される、請求項1に記載の火花点火式内燃機関が提供される。   According to the second aspect of the present invention, the mechanical compression ratio is set to the maximum mechanical compression ratio so that the maximum expansion ratio is obtained at the time of engine low load operation, and the engine load is extremely low even at the time of engine low load operation. The spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the mechanical compression ratio is reduced from the maximum mechanical compression ratio when in the region.

請求項3に記載の発明によれば、前記吸気弁の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期まで吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる、請求項2に記載の火花点火式内燃機関が提供される。   According to a third aspect of the present invention, the closing timing of the intake valve moves away from the intake bottom dead center until the limit closing timing at which the amount of intake air supplied into the combustion chamber can be controlled as the engine load decreases. A spark ignition internal combustion engine according to claim 2 is provided which is moved in a direction.

各請求項に記載の発明によれば、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を具備し、機関低負荷運転時には機関中高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高圧縮比化される火花点火式内燃機関において、機関負荷が極低負荷領域にある場合においても、より簡易な構成で且つ確実に燃費の向上を図ることを可能にする、という共通の効果を奏する。   According to the invention described in each claim, the variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and the variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve are provided. In a spark ignition type internal combustion engine in which the mechanical compression ratio is higher than that at the time of load operation, even when the engine load is in an extremely low load region, the fuel consumption should be improved with a simpler structure and surely. It has the common effect of making it possible.

内燃機関の全体図である。1 is an overall view of an 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. 従来における機械圧縮比の制御に使用するマップの一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the map used for control of the mechanical compression ratio in the past. 図9に示すマップによる機械圧縮比制御がなされる場合における冷却損失の受けやすさの傾向の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the tendency of the sensitivity of a cooling loss in case the mechanical compression ratio control by the map shown in FIG. 9 is made. 図9に示すマップによる機械圧縮比制御がなされる場合における燃費向上の傾向の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the tendency of a fuel consumption improvement in case mechanical compression ratio control is made by the map shown in FIG. 本発明による機械圧縮比の制御に使用するマップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the map used for control of the mechanical compression ratio by this invention.

図1は本発明による可変圧縮比機構を備える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 is a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism according to the present invention. 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装置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 catalyst device 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.

図1に示されるようにクランクケース1とシリンダブロック2にはクランクケース1とシリンダブロック2間の相対位置関係を検出するための相対位置センサ22が取付けられており、この相対位置センサ22からはクランクケース1とシリンダブロック2との間隔の変化を示す出力信号が出力される。また、可変バルブタイミング機構Bには吸気弁7の閉弁時期を示す出力信号を発生するバルブタイミングセンサ23が取付けられており、スロットル弁駆動用のアクチュエータ16にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ24が取付けられている。   As shown in FIG. 1, a relative position sensor 22 for detecting a relative positional relationship between the crankcase 1 and the cylinder block 2 is attached to the crankcase 1 and the cylinder block 2. An output signal indicating a change in the interval between the crankcase 1 and the cylinder block 2 is output. The variable valve timing mechanism B is provided with a valve timing sensor 23 for generating an output signal indicating the closing timing of the intake valve 7, and an output signal indicating the throttle valve opening is provided to the actuator 16 for driving the throttle valve. A throttle opening sensor 24 is attached.

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、空燃比センサ21、相対位置センサ22、バルブタイミングセンサ23およびスロットル開度センサ24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. Output signals of the intake air amount detector 18, the air-fuel ratio sensor 21, the relative position sensor 22, the valve timing sensor 23, and the throttle opening sensor 24 are input to the input port 35 via the corresponding AD converters 37. 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53内に回転可能に挿入される円形カム58が固定されている。これらの円形カム58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58の両側には図3に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56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56は各円形カム58の両側に配置されており、これら円形カム56は対応する各カム挿入孔51内に回転可能に挿入されている。また、図2に示されるようにカムシャフト55にはカムシャフト55の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ25が取付けられている。   As shown in FIG. 2, a pair of camshafts 54 and 55 are provided, and on each camshaft 54 and 55, a circular cam 58 is rotatably inserted into each cam insertion hole 53. It is fixed. These circular cams 58 are coaxial with the rotational axes of the camshafts 54 and 55. On the other hand, on both sides of each circular cam 58, as shown in FIG. 3, an eccentric shaft 57 eccentrically arranged with respect to the rotation axis of each camshaft 54, 55 extends. 56 is mounted eccentrically and rotatable. As shown in FIG. 2, these circular cams 56 are arranged on both sides of each circular cam 58, and these circular cams 56 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 51. As shown in FIG. 2, a cam rotation angle sensor 25 that generates an output signal representing the rotation angle of the camshaft 55 is attached to the camshaft 55.

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58を図3(A)において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が互いに離れる方向に移動するために円形カム56がカム挿入孔51内において円形カム58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の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム58を矢印で示される方向に回転させると図3(C)に示されるように偏心軸57は最も低い位置となる。   When the circular cams 58 fixed on the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as indicated by arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. 3A, the eccentric shafts 57 are separated from each other. In order to move in the direction, the circular cam 56 rotates in the opposite direction to the circular cam 58 in the cam insertion hole 51, and as shown in FIG. 3B, the position of the eccentric shaft 57 is changed from the high position to the intermediate height position. It becomes. Next, when the circular cam 58 is further rotated in the direction indicated by the arrow, the eccentric shaft 57 is at the lowest position as shown in FIG.

なお、図3(A)、図3(B)、図3(C)には夫々の状態における円形カム58の中心aと偏心軸57の中心bと円形カム56の中心cとの位置関係が示されている。   3A, 3B, and 3C show the positional relationship among the center a of the circular cam 58, the center b of the eccentric shaft 57, and the center c of the circular cam 56 in each state. It is shown.

図3(A)から図3(C)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58の中心aと円形カム56の中心cとの距離によって定まり、円形カム58の中心aと円形カム56の中心c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。即ち、可変圧縮比機構Aは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース1とシリンダブロック2間の相対位置を変化させていることになる。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 to 3C, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center a of the circular cam 58 and the center c of the circular cam 56. As the distance between the center a of 58 and the center c of the circular cam 56 increases, the cylinder block 2 moves away from the crankcase 1. That is, the variable compression ratio mechanism A changes the relative position between the crankcase 1 and the cylinder block 2 by a crank mechanism using a rotating cam. 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61,62が取付けられており、これらウォーム61,62と噛合するウォームホイール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。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in opposite directions, a pair of worms 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shaft of the drive motor 59, respectively. Worm wheels 63 and 64 that mesh with the worms 61 and 62 are fixed to the ends 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.

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, the super 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 as well, the combustion chamber volume is set to 50 ml, and the stroke volume of the piston is set to 500 ml, similarly to the example 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 the 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機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、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が見い出されたのである。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, under such circumstances, it is considered to increase the theoretical thermal efficiency while strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio. As a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the actual compression ratio is compared to the theoretical thermal efficiency. Was 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ε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 ε 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、本発明の火花点火式内燃機関における運転制御全般の一実施形態について概略的に説明する。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、機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、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早められている。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のでポンピング損失は零となっている。   Next, an embodiment of overall operation control in the spark ignition internal combustion engine of the present invention will be schematically described. As described above, the normal cycle shown in FIG. 8A is executed during engine high load operation. Therefore, since the mechanical compression ratio is lowered, the expansion ratio is low, and the closing timing of the intake valve 7 is advanced as shown by the solid line in FIG. At this time, the amount of intake air is large, and at this time, the opening degree of the throttle valve 17 is kept fully open, so that the pumping loss is zero.

一方、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, when the engine load becomes low, the closing timing of the intake valve 7 is delayed to reduce the intake air amount. Further, at this time, 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。   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.

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L1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(上限機械圧縮比)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L1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 the medium load L1 slightly close to the low load, the mechanical compression ratio becomes a limit mechanical compression ratio (upper limit mechanical compression) that becomes the structural limit of the combustion chamber 5 Ratio). When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio, the mechanical compression ratio is held at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load L1 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、機関負荷がL1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L1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, when the engine load decreases to L1, the closing timing of the intake valve 7 becomes the limit closing timing at which the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 can be controlled. When the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve 7 is reduced in a region where the load is lower than the engine load L1 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。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L1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、機関負荷が低くなるほどスロットル弁17の開度は小さくされる。   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. At this time, that is, in the region where the load is lower than the engine load L1 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 is controlled by the throttle valve 17, As the engine load becomes lower, the opening degree of the throttle valve 17 is made smaller.

一方、機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁17によらずに吸入空気量を制御することができる。従って、本発明による実施例では吸気弁7の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期L1まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。   On the other hand, the intake air amount can be controlled without depending on the throttle valve 17 by advancing the closing timing of the intake valve 7 as the engine load becomes lower. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the closing timing of the intake valve 7 moves away from the intake bottom dead center BDC until the limit closing timing L1 that can control the amount of intake air supplied into the combustion chamber as the engine load decreases. It will be moved in the direction.

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。従って本実施例では膨張比が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 this embodiment, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.

ところで、カム機構などを利用して、内燃機関の燃焼室を構成する機関要素であるシリンダブロックをクランクケースに対して相対的に移動させることで、燃焼室の容積を変更して機械圧縮比を変更するように構成される可変圧縮比機構においては、機械圧縮比が高圧縮比化されると、燃焼室の容積に対する燃焼室の表面積の比(以下、S/V比と称する。)が大きくなり、S/V比が小さいときに比べて燃焼室内で発生した熱が放熱され易くなるという現象が生じ、これにより、冷却損失が増加して熱効率向上の効果が低下するという場合がある。   By the way, by using a cam mechanism or the like to move the cylinder block, which is an engine element constituting the combustion chamber of the internal combustion engine, relative to the crankcase, the volume of the combustion chamber is changed and the mechanical compression ratio is increased. In the variable compression ratio mechanism configured to be changed, when the mechanical compression ratio is increased, the ratio of the surface area of the combustion chamber to the volume of the combustion chamber (hereinafter referred to as S / V ratio) is increased. Thus, the phenomenon that the heat generated in the combustion chamber becomes easier to dissipate than when the S / V ratio is small may occur, thereby increasing the cooling loss and reducing the effect of improving the thermal efficiency.

従って、熱効率の向上を図るべく機関低負荷運転時には高い膨張比が得られるように機械圧縮比が高圧縮比化されるように構成される内燃機関において、機関負荷が極低負荷領域にある場合であって機械圧縮比の高圧縮比化が実行される場合においては、膨張比増大による熱効率向上効果よりも、機械圧縮比の高圧縮比化による冷却損失の増加の方の影響が大きく、熱効率の悪化をもたらしてしまうという事態を生じてさせてしまう場合がありうる。   Therefore, in an internal combustion engine configured to increase the mechanical compression ratio so that a high expansion ratio can be obtained during engine low load operation in order to improve thermal efficiency, the engine load is in an extremely low load region However, when a higher compression ratio of the mechanical compression ratio is executed, the effect of increasing the cooling loss due to the higher compression ratio of the mechanical compression ratio is larger than the effect of improving the thermal efficiency by increasing the expansion ratio. It may cause a situation of deteriorating.

図9は、従来における機械圧縮比の制御に使用するマップの一実施形態を示す図である。図9に示されているごとく従来における機械圧縮比の制御は概して、機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大されるように制御される。そして、図9に示すマップによる機械圧縮比の制御がなされる場合における冷却損失の受けやすさの傾向の一例を図10に示す。また、図9に示すマップによる機械圧縮比の制御がなされる場合における燃費向上度合の傾向の一例を図11に示す。   FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of a map used for controlling the mechanical compression ratio in the related art. As shown in FIG. 9, the conventional control of the mechanical compression ratio is generally controlled such that the mechanical compression ratio is increased as the engine load decreases. FIG. 10 shows an example of the tendency of cooling loss susceptibility when the mechanical compression ratio is controlled by the map shown in FIG. FIG. 11 shows an example of the tendency of the improvement in fuel efficiency when the mechanical compression ratio is controlled by the map shown in FIG.

図10を参照すると、低負荷領域のうちでも、機関負荷と機関回転数との両方が所定のレベルに達していないような領域Aすなわち極低負荷領域においては、冷却損失が大きいことが理解されうる。そして、このことが原因で、極低負荷領域Aにおいては、機械圧縮比を高圧縮化して膨張比を高くすることによる熱効率の改善効果よりも、冷却損失による悪影響の度合いが大きく、図11に示されるごとく、極低負荷領域以外の低負荷領域においては燃費向上度合が大きいにもかかわらず、極低負荷領域Aにおいては、燃費の向上度合いが小さいことが理解されうる。すなわち、極低負荷領域Aにおける燃費の向上という観点においては、機械圧縮比を高圧縮化して膨張比を高くすることによる熱効率の改善よりも、冷却損失の改善による効果の方が重要となる。   Referring to FIG. 10, it is understood that the cooling loss is large in the region A in which both the engine load and the engine speed do not reach the predetermined level, that is, in the extremely low load region even in the low load region. sell. For this reason, in the extremely low load region A, the degree of adverse effect due to cooling loss is greater than the effect of improving the thermal efficiency by increasing the mechanical compression ratio and increasing the expansion ratio. As shown, it can be understood that the degree of improvement in fuel consumption is small in the extremely low load region A, although the degree of improvement in fuel consumption is large in the low load region other than the extremely low load region. That is, from the viewpoint of improving fuel efficiency in the extremely low load region A, the effect of improving the cooling loss is more important than improving the thermal efficiency by increasing the mechanical compression ratio and increasing the expansion ratio.

このことに基づいて、本発明においては、熱効率の向上を図るべく機関低負荷運転時には機関中高負荷運転時に比べて機械圧縮比を高圧縮比化し、一方で、低負荷領域内であっても機関負荷と機関回転数との両方が所定のレベルに達していないような極低負荷領域Aにおいては、機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比が低圧縮比化されるように構成される。尚、本発明における極低負荷領域Aとは、上記でも述べたように、低負荷領域のうちでも、機関負荷と機関回転数との両方が所定のレベルに達していないような領域に相当する。本実施形態における極低負荷領域は、例えば、機関の平均有効圧力(Pme)が0.2MPaよりも小さく且つ機関回転数が1200rpmよりも小さなというような領域に相当する。しかしながら、極低負荷領域を特定するための機関負荷及び機関回転数に対する閾値は、これに限られることはなく、機関仕様などに応じて適当に決定されてよい。   Based on this, in the present invention, in order to improve the thermal efficiency, the mechanical compression ratio is increased at the time of engine low load operation compared to the time of engine medium and high load operation, while the engine is in the low load region. In the extremely low load region A where both the load and the engine speed have not reached the predetermined level, the mechanical compression ratio is configured to be lower than that during engine low load operation. Note that the extremely low load region A in the present invention corresponds to a region in which both the engine load and the engine speed do not reach a predetermined level in the low load region as described above. . The extremely low load region in the present embodiment corresponds to a region where the average effective pressure (Pme) of the engine is smaller than 0.2 MPa and the engine speed is smaller than 1200 rpm, for example. However, the thresholds for the engine load and the engine speed for specifying the extremely low load region are not limited to this, and may be appropriately determined according to the engine specifications and the like.

このような構成を有する本発明によれば、機関負荷が極低負荷領域にある場合においては、機械圧縮比を低圧縮比化することで、S/V比を小さくして冷却損失を改善することができ、燃費の向上を図ることを可能とする。このような本発明による機械圧縮比の制御に使用するマップの一例を図12に示す。本発明においては、機関負荷が、図12中の領域Aとして示される極低負荷領域内にあるときには機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比が低圧縮比化される。   According to the present invention having such a configuration, when the engine load is in an extremely low load region, the S / V ratio is reduced and the cooling loss is improved by reducing the mechanical compression ratio. This makes it possible to improve fuel efficiency. An example of a map used for controlling the mechanical compression ratio according to the present invention is shown in FIG. In the present invention, when the engine load is in the extremely low load region shown as region A in FIG. 12, the mechanical compression ratio is reduced as compared with the engine low load operation.

ちなみに、冷却損失を改善する手段として、機械圧縮比の大きさに応じて機関冷却水の圧送量を減らすことで冷却損失を改善する方策も考えられるが、本発明によれば、機械圧縮比の大きさに応じて冷却水の圧送量を制御するというような構成を必要とすることなく、機関負荷が極低負荷領域にある場合においても、より簡易な構成で且つ確実に燃費の向上を図ることを可能としうる。   Incidentally, as a means for improving the cooling loss, a measure for improving the cooling loss by reducing the pumping amount of the engine cooling water according to the magnitude of the mechanical compression ratio can be considered, but according to the present invention, the mechanical compression ratio is reduced. Even when the engine load is in an extremely low load region without requiring a configuration for controlling the pumping amount of the cooling water according to the size, the fuel consumption can be reliably improved with a simpler configuration. Can make it possible.

尚、スワール制御弁(SCV)を有して構成されるような火花点火式内燃機関に対して本発明を適用する場合、機関負荷が極低負荷領域内にあるときに、機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比を低圧縮比化するとともに、スワール制御弁により極低負荷領域における燃焼速度を適切に制御することで、極低負荷領域における冷却損失の改善が図られてもよい。例えば、シリンダ内に形成されるスワール流が強くなると流速が大きくなるため、シリンダの内周面やピストンの頂面等のスワール流と接触する壁面からの放熱量が増加して、冷却損失が増加するというような状況が生じるうる場合があることを考慮して、機関負荷が極低負荷領域内にあるときには、スワール制御弁によるスワール流の発生を中止するような制御、あるいは、スワール流の流速を低下させるような制御が行われるように構成されてもよい。   When the present invention is applied to a spark ignition internal combustion engine configured with a swirl control valve (SCV), when the engine load is in an extremely low load region, As compared with the mechanical compression ratio, the cooling loss in the extremely low load region may be improved by appropriately controlling the combustion speed in the extremely low load region by using the swirl control valve. For example, if the swirl flow formed in the cylinder becomes stronger, the flow velocity increases, so the amount of heat released from the wall surface in contact with the swirl flow, such as the inner peripheral surface of the cylinder or the top surface of the piston, increases and cooling loss increases. When the engine load is in the extremely low load range, control to stop the generation of the swirl flow by the swirl control valve or the flow rate of the swirl flow It may be configured such that control is performed so as to reduce.

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
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 70 Camshaft for intake valve drive A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (3)

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を具備し、機関低負荷運転時には機関中高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高圧縮比化され、機関低負荷運転時であっても機関負荷が極低負荷領域内にあるときには機関低負荷運転時に比べて機械圧縮比が低圧縮比化される、火花点火式内燃機関。   Equipped with a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve, the mechanical compression ratio is higher when the engine is under low load operation than when during medium and high load operation A spark-ignition internal combustion engine that is compared and has a mechanical compression ratio that is lower than that during engine low-load operation when the engine load is in an extremely low load region even during engine low-load operation. 機関低負荷運転時には最大膨張比が得られるように機械圧縮比が最大機械圧縮比とされ、機関低負荷運転時であっても機関負荷が極低負荷領域内にあるときには機械圧縮比が最大機械圧縮比から低圧縮比化される、請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   The mechanical compression ratio is set to the maximum mechanical compression ratio so that the maximum expansion ratio can be obtained during engine low-load operation. When the engine load is within the extremely low load region even during engine low-load operation, the mechanical compression ratio is the maximum machine compression ratio. The spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the compression ratio is reduced to a low compression ratio. 前記吸気弁の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期まで吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる、請求項2に記載の火花点火式内燃機関。   The closing timing of the intake valve is moved in a direction away from the intake bottom dead center until a limit closing timing capable of controlling the amount of intake air supplied into the combustion chamber as the engine load decreases. Spark ignition internal combustion engine.
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