JP2014114733A - Internal combustion engine having variable compression ratio mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可変圧縮比機構を備える内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine including a variable compression ratio mechanism.
シリンダブロックを気筒軸線に沿わせてクランクケースに対して相対移動させることにより機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備える内燃機関が公知である。このような可変圧縮比機構は、例えば、シリンダブロックとクランクケースとの間に偏心軸等の作用軸を配置し、アクチュエータにより作用軸を回動させることによって、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させるものである。 An internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism that varies a mechanical compression ratio by moving a cylinder block relative to a crankcase along a cylinder axis is known. In such a variable compression ratio mechanism, for example, an operating shaft such as an eccentric shaft is disposed between the cylinder block and the crankcase, and the operating shaft is rotated by an actuator, whereby the cylinder block is made relative to the crankcase. It is to be moved.
このような可変圧縮比機構において、いずれかの気筒の筒内圧が高いときに、機械圧縮比を増加させるためにシリンダブロックをクランクケースへ近づけるにはアクチュエータにより大きなトルクを発生させなければならず、アクチュエータでの消費電力が大きくなってしまう。それにより、アクチュエータでの電力消費を抑制するために、全ての気筒の筒内圧が設定値以下のときにだけ機械圧縮比を増加させるようにすることが提案されている(特許文献1参照)。 In such a variable compression ratio mechanism, when the in-cylinder pressure of any cylinder is high, in order to bring the cylinder block closer to the crankcase in order to increase the mechanical compression ratio, a large torque must be generated by the actuator. The power consumption at the actuator becomes large. Accordingly, in order to suppress power consumption in the actuator, it has been proposed to increase the mechanical compression ratio only when the in-cylinder pressures of all the cylinders are equal to or lower than a set value (see Patent Document 1).
ところで、気筒内の爆発力は、比較的大きく、シリンダブロックをクランクケースから遠ざけるように作用し、何もしなければ、作用軸を機械圧縮比低下方向へ回動させてしまう。 By the way, the explosive force in the cylinder is relatively large and acts to move the cylinder block away from the crankcase. If nothing is done, the working shaft is rotated in the direction of decreasing the mechanical compression ratio.
これを抑制するために、気筒内の爆発力がシリンダブロックをクランクケースから遠ざけるように作用すると、作用軸の回動をロックする逆入力遮断クラッチをアクチュエータと作用軸との間に配置することが考えられる。 In order to suppress this, when the explosion force in the cylinder acts to move the cylinder block away from the crankcase, a reverse input cutoff clutch that locks the rotation of the working shaft may be disposed between the actuator and the working shaft. Conceivable.
このような逆入力遮断クラッチは、外輪とアクチュエータ側の入力軸と作用軸側の出力軸とを有し、出力軸側から機械圧縮比低下方向のトルクが発生すると、コロが出力軸と外輪との間に嵌り込んで出力軸を固定する。このような出力軸の固定状態(逆入力遮断状態)において、入力軸側から出力軸へ機械圧縮比増加方向のトルクが作用すると、出力軸はコロから容易に離間し、入力軸により出力軸を機械圧縮比増加方向へ回動させることができる。 Such a reverse input cutoff clutch has an outer ring, an input shaft on the actuator side, and an output shaft on the action shaft side, and when a torque in the direction of decreasing the mechanical compression ratio is generated from the output shaft side, the roller is connected to the output shaft and the outer ring. The output shaft is fixed by fitting in between. In such a fixed state of the output shaft (reverse input cutoff state), when torque in the direction of increasing the mechanical compression ratio acts from the input shaft side to the output shaft, the output shaft is easily separated from the roller, and the output shaft is moved by the input shaft. It can be rotated in the direction of increasing the mechanical compression ratio.
しかしながら、出力軸の固定状態において、入力軸側から出力軸へ機械圧縮比低下方向のトルクが作用する場合には、入力軸と共に回動する保持器により出力軸と外輪との間に嵌り込んでいるコロを出力軸の回動方向に押圧して外さないと、入力軸により出力軸を機械圧縮比低下方向へ回動させることができない。 However, when torque in the direction of decreasing the mechanical compression ratio acts from the input shaft side to the output shaft in the fixed state of the output shaft, it is fitted between the output shaft and the outer ring by the cage that rotates together with the input shaft. If the roller is not pressed and removed in the rotation direction of the output shaft, the input shaft cannot be rotated in the mechanical compression ratio decreasing direction by the input shaft.
こうして、可変圧縮比機構に逆入力遮断クラッチが設けられている場合において、前述のように、全ての気筒の筒内圧が設定値以下のときにだけ機械圧縮比を増加させるように制御しても、任意に機械圧縮比を低下させると、逆入力遮断クラッチのコロを外すのに比較的大きなトルクが必要となってアクチュエータの電力消費が大きくなることがある。 In this way, when the variable compression ratio mechanism is provided with the reverse input cutoff clutch, as described above, the control may be performed so that the mechanical compression ratio is increased only when the in-cylinder pressures of all the cylinders are equal to or lower than the set value. If the mechanical compression ratio is arbitrarily reduced, a relatively large torque is required to remove the roller of the reverse input cutoff clutch, which may increase the power consumption of the actuator.
従って、本発明の目的は、シリンダブロックとクランクケースとの間に作用軸を配置し、アクチュエータにより作用軸を回動させることによって、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関であって、アクチュエータと作用軸との間には逆入力遮断クラッチが配置され、逆入力遮断クラッチは、外輪とアクチュエータ側の入力軸と作用軸側の出力軸とを有し、出力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、コロが外輪と出力軸との間に嵌り込んで出力軸を固定して遮断され、入力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、入力軸と共に回動する保持器が出力軸と外輪との間に嵌り込んでいるコロを出力軸の回動方向に押圧して外した後に出力軸を回動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関において、機械圧縮比を低下させる際に逆入力遮断クラッチのコロを外すためのアクチュエータの電力消費を抑制することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a variable compression ratio mechanism that moves the cylinder block relative to the crankcase by disposing the operating shaft between the cylinder block and the crankcase and rotating the operating shaft by the actuator. The reverse input cutoff clutch is arranged between the actuator and the working shaft, and the reverse input cutoff clutch has an outer ring, an input shaft on the actuator side, and an output shaft on the working shaft side. The torque in the direction of decreasing the mechanical compression ratio from the shaft is blocked by the roller being fitted between the outer ring and the output shaft, fixing the output shaft, and the torque in the decreasing direction of the mechanical compression ratio from the input shaft is An internal combustion engine provided with a variable compression ratio mechanism for rotating the output shaft after the rotating retainer is pressed between the output shaft and the outer ring in a rotating direction of the output shaft and removed. Oite is to inhibit the actuator power consumption to remove the rollers of the reverse input blocking clutch in reducing the mechanical compression ratio.
本発明による請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、シリンダブロックとクランクケースとの間に作用軸を配置し、アクチュエータにより作用軸を回動させることによって、前記シリンダブロックを前記クランクケースに対して相対移動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関であって、前記アクチュエータと前記作用軸との間には逆入力遮断クラッチが配置され、前記逆入力遮断クラッチは、外輪とアクチュエータ側の入力軸と作用軸側の出力軸とを有し、前記出力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、コロが前記外輪と前記出力軸との間に嵌り込んで前記出力軸を固定して遮断され、前記入力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、前記入力軸と共に回動する保持器が前記出力軸と前記外輪との間に嵌り込んでいる前記コロを前記出力軸の回動方向に押圧して外した後に前記出力軸を回動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関において、機械圧縮比を低下させる要求があっても直ぐに前記アクチュエータを作動せず、いずれかの気筒の筒内圧が極大となるときに前記アクチュエータを作動することを特徴とする。
An internal combustion engine comprising the variable compression ratio mechanism according to
本発明による請求項2に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関において、機関回転数が設定回転数以下のときには、機械圧縮比を低下させる要求があったら直ぐに前記アクチュエータを作動することを特徴とする。
An internal combustion engine provided with the variable compression ratio mechanism according to
本発明による請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関によれば、シリンダブロックとクランクケースとの間に作用軸を配置し、アクチュエータにより作用軸を回動させることによって、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関であって、アクチュエータと作用軸との間には逆入力遮断クラッチが配置されている可変圧縮比機構を備える内燃機関において、機械圧縮比を低下させる要求があっても直ぐに前記アクチュエータを作動せず、いずれかの気筒の筒内圧が極大となるときにアクチュエータを作動するようになっている。 According to the internal combustion engine including the variable compression ratio mechanism according to the first aspect of the present invention, the operating shaft is disposed between the cylinder block and the crankcase, and the operating shaft is rotated by the actuator, whereby the cylinder block is moved. An internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism that is moved relative to a crankcase, wherein the internal compression engine has a variable compression ratio mechanism in which a reverse input cutoff clutch is disposed between an actuator and a working shaft. Even if there is a request to reduce the ratio, the actuator is not actuated immediately, and the actuator is actuated when the in-cylinder pressure of any cylinder becomes maximum.
逆入力遮断クラッチは、外輪とアクチュエータ側の入力軸と作用軸側の出力軸とを有し、出力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、コロが外輪と出力軸との間に嵌り込んで出力軸を固定して遮断され、入力軸からの機械圧縮比低下方向のトルクは、入力軸と共に回動する保持器が出力軸と外輪との間に嵌り込んでいるコロを出力軸の回動方向に押圧して外した後に出力軸を回動させるようになっており、いずれかの気筒の筒内圧が極大となるときには、出力軸から機械圧縮比低下方向の大きなトルクが作用して外輪と出力軸との間に嵌り込んでいるコロが機械圧縮比低下側に移動する。すなわち、コロは、外輪と出力軸により形成される部分において狭くなる側に移動する。それにより、機械圧縮比を低下させる要求があっても直ぐにアクチュエータを作動せず、いずれかの気筒の筒内圧が極大となるときアクチュエータを作動することにより、保持器は移動中のコロを回動方向に押圧することとなり、比較的小さなトルクによりコロを外すことができる。こうして、機械圧縮比を低下させる際に逆入力遮断クラッチのコロを外すためのアクチュエータの電力消費を抑制することができる。 The reverse input shut-off clutch has an outer ring, an input shaft on the actuator side, and an output shaft on the working shaft side. The torque in the direction of decreasing the mechanical compression ratio from the output shaft is fitted between the outer ring and the output shaft. The output shaft is fixed and shut off, and the torque from the input shaft in the direction of decreasing the mechanical compression ratio is applied to the rotation of the output shaft by the roller that rotates with the input shaft is fitted between the output shaft and the outer ring. The output shaft is rotated after being pushed and removed in the moving direction. When the in-cylinder pressure of any of the cylinders becomes maximum, a large torque acts in the direction of decreasing the mechanical compression ratio from the output shaft to act on the outer ring. The roller fitted between the output shaft and the output shaft moves to the mechanical compression ratio lowering side. That is, the roller moves to a narrower side in the portion formed by the outer ring and the output shaft. As a result, even if there is a request to reduce the mechanical compression ratio, the actuator does not immediately operate, and when the in-cylinder pressure of any cylinder becomes maximum, the actuator rotates to move the moving roller. The roller is pressed in the direction, and the roller can be removed with a relatively small torque. Thus, it is possible to suppress the power consumption of the actuator for removing the roller of the reverse input cutoff clutch when the mechanical compression ratio is lowered.
機械回転数が設定回転数以下のときには、機械圧縮比を低下させる要求があってからいずれかの気筒の筒内圧が極大となるまでに比較的長い時間が経過することがあり、それまでアクチュエータを作動させないと、機械圧縮比変更の応答性が悪化するために、本発明による請求項2に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関では、機関回転数が設定回転数以下のときには、機械圧縮比を低下させる要求があったら直ぐにアクチュエータを作動するようにしている。
When the mechanical rotation speed is less than or equal to the set rotation speed, a relatively long time may elapse after the request to reduce the mechanical compression ratio is reached until the in-cylinder pressure of one of the cylinders reaches a maximum. If not operated, the responsiveness of changing the mechanical compression ratio deteriorates. Therefore, in the internal combustion engine provided with the variable compression ratio mechanism according to
図1は本発明による可変圧縮比機構を備える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 an 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
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
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
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
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、及び、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
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、すなわち、シリンダブロック側サポートが形成されており、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、すなわち、クランクケース側サポートが形成されており、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
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同心部分58が位置している。各同心部分58は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各同心部分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部57が位置しており、この偏心部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。すなわち、偏心部57は円形カム56に形成された偏心孔に嵌合し、円形カム56は偏心孔を中心として偏心部57回りに回動するようになっている。図2に示されるようにこれら円形カム56は各同心部分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
図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55の同心部分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部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内において同心部分58とは反対方向に回転し、図3(B)に示されるように偏心部57の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に同心部分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部57は最も低い位置となる。
When the
なお、図3(A)、図3(B)、図3(C)には夫々の状態における同心部分58の中心aと偏心部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 between the center a of the
図3(A)から図3(C)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の相対位置は同心部分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、同心部分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
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。駆動モータ59とウォーム62との間には、逆入力遮断クラッチ90が配置されている。
As shown in FIG. 2, in order to rotate the
このように、本実施例の可変圧縮比機構Aは、アクチュエータとしての駆動モータ59が作用軸としてシリンダブロック2とクランクケース1との間に配置されたカムシャフト54,55を回動させることにより、シリンダブロック2をクランクケース1に対して相対移動させる。駆動モータ59は、アクチュエータ側ギヤとして回転軸に取付けられた一対のウォーム61,62により作用軸側ギヤとして各カムシャフト54,55の端部に固定されたウォームホイール63,64を回動させる。逆入力遮断クラッチ90は、駆動モータ59の回転軸において一対のウォーム61,62よりアクチュエータ側に位置しており、駆動モータ59と一対のカムシャフト54,55との間に配置されている。
Thus, in the variable compression ratio mechanism A of the present embodiment, the
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
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
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
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
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
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
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
次に図9を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。図9には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比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、触媒装置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の出力信号に基づ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 overall operation control will be schematically described with reference to FIG. FIG. 9 shows changes in the intake air amount, the intake valve closing timing, the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the actual compression ratio, and the opening degree of the throttle valve 17 according to the engine load at a certain engine speed. . 9 shows that the average air-fuel ratio in the
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において実線で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。
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 valve closing timing of the
一方、図9において実線で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 by the solid line in FIG. 9, when the engine load becomes low, the closing timing of the
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
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 reduced to a 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 a structural limit of the combustion chamber 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、図9に示される実施例では機関負荷が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, in the embodiment shown in FIG. 9, when the engine load decreases to L1, the closing timing of the
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
一方、図9において破線で示すように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、図9において実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しうるように表現すると、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。このように吸入空気量は吸気弁7の閉弁時期を図9において実線で示すように変化させても制御することができるし、破線に示すように変化させても制御することができる。
On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the throttle valve 17 by advancing the closing timing of the
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、気筒内の爆発力は、比較的大きく、シリンダブロック2をクランクケース1から遠ざけるように作用し、何もしなければ、駆動モータ59の回転軸と共にカムシャフト54,55を機械圧縮比の低下方向へ回動させてしまう。
By the way, the explosive force in the cylinder is relatively large and acts so as to move the
駆動モータ59の回転軸に配置された逆入力遮断クラッチ90は、このようなカムシャフト54,55の回動を抑制するために設けられている。図10及び11に示すように、逆入力遮断クラッチ90は、不動の外輪91と、駆動モータ59側の入力軸と、カムシャフト54,55側の出力軸92とを有している。93は入力軸と共に回動する保持器であり、94は入力軸における出力軸92との係合部を示している。
The reverse input cutoff clutch 90 disposed on the rotation shaft of the
図10(A)は逆入力遮断クラッチ90の出力軸92を固定する逆入力遮断状態を示している。このような逆入力遮断状態においては、各気筒の爆発においてカムシャフト54,55側から出力軸92へ点線矢印で示す機械圧縮比低下方向のトルクが作用しても、コロ95が出力軸92の当接部92aと不動の外輪91との間に嵌り込んでいる。出力軸92の当接部92aは、外輪91との間の距離が周方向に沿って徐々に小さくなるように形成されている。当接部92aと外輪91との間の部分にコロ95が係止することにより楔の効果が生じ、出力軸92が機械圧縮比低下方向へ回動することが防止される。
FIG. 10A shows a reverse input cutoff state in which the
しかしながら、図10(B)に示すように、逆入力遮断状態において、駆動モータ59側から入力軸へ実線矢印で示す機械圧縮比増加方向のトルクが作用すると、入力軸の係合部94は出力軸92と係合する。次いで、図10(C)に示すように、出力軸92はコロ95から容易に離間し、入力軸の係合部94を介して出力軸92は実線矢印で示す機械圧縮比増加方向へ回動することができる。出力軸92がコロ95から離間すると、コロ95はバネ96によって実線矢印方向へ戻される。
However, as shown in FIG. 10B, when the torque in the direction of increasing the mechanical compression ratio indicated by the solid line arrow is applied from the
機械圧縮比の目標機械圧縮比への増加が完了して駆動モータ59が停止した際には、コロ95、入力軸の係合部94及び出力軸92は、図10(C)に示す位置関係となっている。図10(C)に示す各部材の位置関係において、各気筒の爆発によりカムシャフト54,55側から出力軸92へ点線矢印で示す機械圧縮比低下方向のトルクが作用すると、出力軸92は僅かに機械圧縮比低下方向へ回動し、それにより、図10(A)に示す逆入力遮断状態となり、コロ95が出力軸92の当接部92aと不動の外輪91との間に嵌り込んで出力軸92の機械圧縮比低下方向への回動を防止する。
When the increase of the mechanical compression ratio to the target mechanical compression ratio is completed and the
逆入力遮断状態において、コロ95は出力軸92の当接部92aと外輪91との間に嵌り込んだ状態となるが、出力軸92側からの機械圧縮比低下方向のトルクが大きくなると、出力軸92が捩じられて弾性変形し、コロ95が当接部92aと外輪91とから構成される徐々に狭くなる部分の奥に食い込む。コロ95は、当接部92aと外輪91とにより形成される部分のうち狭い部分に移動する。出力軸92は、僅かな回動範囲において最も機械圧縮比低下側へ回動する。一方で、出力軸92側からの機械圧縮比低下方向のトルクが小さくなると、出力軸92の弾性変形の反力により、コロ95が当接部92aと外輪91とから構成される徐々に狭くなる部分の奥から元の位置に戻る。コロ95は、当接部92aと外輪91とにより形成される部分のうち狭い部分から広い部分に向かって移動する。出力軸92は、僅かな回動範囲において最も機械圧縮比増加側へ回動する。このように、逆入力遮断状態において、コロ95は、出力軸92の当接部92aと外輪91との間に嵌り込んだ状態であるが、出力軸92側からのトルクの大きさによって僅かな回動範囲を往復移動することとなる。
In the reverse input blocking state, the
図11(A)も図10(A)と同じ逆入力遮断状態を示しており、カムシャフト54,55側からのトルクによって出力軸92が点線矢印で示す機械圧縮比低下方向へ回動することは防止される。図11(B)に示すように、逆入力遮断状態において、駆動モータ59側から入力軸へ実線矢印で示す機械圧縮比低下方向のトルクが作用すると、入力軸の係合部94は出力軸92と係合すると共に入力軸と共に回動する保持器93がコロ95に当接する。
FIG. 11A also shows the same reverse input blocking state as FIG. 10A, and the
次いで、入力軸のトルクを使用して保持器93がコロ95を機械圧縮比低下方向へ押圧して、出力軸92と外輪91との間に嵌り込んでいるコロを出力軸92の回動方向に外す。それにより、図11(C)に示すように、入力軸の係合部94を介して出力軸92は機械圧縮比低下方向へ回動することが可能となる。
Next, using the torque of the input shaft, the
機械圧縮比の目標機械圧縮比への低下が完了して駆動モータ59が停止した際には、コロ95、入力軸の係合部94及び出力軸92は、図11(C)に示す位置関係となっている。図11(C)に示す各部材の位置関係において、各気筒の爆発によりカムシャフト54,55側から出力軸92へ点線矢印で示す機械圧縮比低下方向のトルクが作用すると、出力軸92は僅かに機械圧縮比低下方向へ回動し、それにより、図11(A)に示す逆入力遮断状態となり、コロ95が出力軸92の当接部92aと不動の外輪91との間に嵌り込んで出力軸92の機械圧縮比低下方向への回動を防止する。
When the reduction of the mechanical compression ratio to the target mechanical compression ratio is completed and the
このように、可変圧縮比機構Aに逆入力遮断クラッチ90が設けられている場合において、機械圧縮比を増加させるときには、それほど大きなトルクは必要ないが、機械圧縮比を低下させるときには、何もしなければ、保持器93により出力軸92と外輪91との間に嵌り込んでいるコロ95を外すのに比較的大きなトルクが必要となって駆動モータ59の電力消費が増大してしまう。
Thus, in the case where the variable compression ratio mechanism A is provided with the reverse
図12は、可変圧縮比機構の駆動モータ59の電力消費を抑制するための制御を示すフローチャートであり、電子制御ユニット30により実施される。先ず、ステップ101において、機関運転状態(又は機関負荷)の変化等によって新たな目標機械圧縮比Etが設定され、目標機械圧縮比Etの変更要求があったか否かが判断される。この判断が否定されるときには、機械圧縮比を変更する必要はなく、そのまま終了する。
FIG. 12 is a flowchart showing control for suppressing power consumption of the
しかしながら、ステップ101の判断が肯定されるときには、新たに設定された目標機械圧縮比Etが相対位置センサ22により検出される現在の機械圧縮比Eより小さいか否かが判断される。この判断が否定されるときには、機械圧縮比を増加させることとなり、このときには、それほど大きなトルクは必要なく、ステップ105において、アクチュエータ(駆動モータ59)を新たな目標機械圧縮比Etを実現するために作動する。
However, when the determination in
次いで、ステップ106において、相対位置センサ22により検出される現在の機械圧縮比Eがステップ101において設定された新たな目標機械圧縮比Etに一致したか否かが判断され、この判断が肯定されるまでステップ105においてアクチュエータを作動し続ける。ステップ106の判断が肯定されれば、ステップ107においてアクチュエータを停止する。
Next, at
一方、ステップ102の判断が肯定されるときは、機械圧縮比を低下させることとなり、このときには、ステップ103において、クランク角センサ42により検出される現在の機関回転数Nが設定回転数N1以下であるか否かが判断される。この判断が否定されるときには、ステップ104において、クランク角センサ42により検出される現在のクランク角度CAが現在から最短で点火時期となる気筒において点火時期直後の筒内圧が極大となるクランク角度CAPMとなったか否かが判断され、この判断は肯定されるまで繰り返される。このようなクランク角度CAPMは、たとえば点火時期を関数として予め設定しておくことができる。
On the other hand, when the determination in
ステップ104の判断が肯定されると、ステップ105において、アクチュエータを新たな目標機械圧縮比Etを実現するために作動する。次いで、ステップ106において、相対位置センサ22により検出される現在の機械圧縮比Eがステップ101において設定された新たな目標機械圧縮比Etに一致したか否かが判断され、この判断が肯定されるまでステップ105においてアクチュエータを作動し続ける。ステップ106の判断が肯定されれば、ステップ107においてアクチュエータを停止する。
If the determination in
図13は、逆入力遮断クラッチの出力軸側から作用するトルクを示すタイムチャートであり、各気筒の点火時期直後の時刻t1’、t1、t2、t3において各気筒の筒内圧が極大となり、逆入力遮断クラッチ90の出力軸から作用するトルクも極大となる。例えば、時刻t1’とt1との間の時刻t0において機械圧縮比を低下させるための目標機械圧縮比Etの変更要求があったときに、直ぐにアクチュエータを作動させると、入力軸と共に回動する保持器93により出力軸92と外輪91との間に嵌り込んでいる逆入力遮断状態のコロ95を出力軸92の回動方向に押圧して外すのに比較的大きなトルクが必要となり、アクチュエータの電力消費を悪化させることとなってしまう。
FIG. 13 is a time chart showing torque acting from the output shaft side of the reverse input cutoff clutch, and the in-cylinder pressure of each cylinder becomes maximum at times t1 ′, t1, t2, t3 immediately after the ignition timing of each cylinder, and the reverse The torque acting from the output shaft of the
これに対して、図12のフローチャートの制御では、現在のクランク角度CAが現在から最短で点火時期となる気筒において点火時期直後の筒内圧が極大となるクランク角度CAPMとなってからアクチュエータを作動するようになっている。すなわち、時刻t1となったときにアクチュエータを作動する。 On the other hand, in the control of the flowchart of FIG. 12, the actuator is operated after the crank angle CAPM at which the in-cylinder pressure immediately after the ignition timing becomes the maximum in the cylinder where the current crank angle CA is the shortest ignition timing from the present. It is like that. That is, the actuator is operated when time t1 is reached.
前述したように、逆入力遮断状態において、コロ95は、出力軸92の当接部92aと外輪91との間に嵌り込んだ状態であるが、僅かな回動範囲を往復移動しており、いずれかの気筒の筒内圧が極大となったときには、機械圧縮比低下方向に確実に移動した状態である。すなわち、コロ95は、当接部92aと外輪91とから構成される徐々に狭くなる部分の奥に食い込んだ状態である。このときに、アクチュエータを作動すれば、入力軸と共に回動する保持器93は、当接部92aと外輪91とから構成される徐々に狭くなる部分の奥から抜けるように移動するコロ95を回動方向に押圧することとなり、比較的小さなトルクによりコロ95を外すことができる。こうして、図12の制御によれば、機械圧縮比を低下させる際に逆入力遮断クラッチ90のコロ95を外すためのアクチュエータの電力消費を抑制することができる。
As described above, in the reverse input blocking state, the
このように、機械圧縮比を低下させる際に、いずれかの気筒の筒内圧が極大となるときにアクチュエータを作動するようにすれば、アクチュエータの電力消費を抑制することができるが、図12の制御のように、機械圧縮比を低下させる要求があったときから最短で点火時期となる気筒において点火時期直後の筒内圧が極大となるときに、アクチュエータを作動するようにすれば、機械圧縮比を低下させる際の応答性にとって有利である。 As described above, when reducing the mechanical compression ratio, if the actuator is operated when the in-cylinder pressure of any of the cylinders becomes maximum, the power consumption of the actuator can be suppressed. If the cylinder pressure immediately after the ignition timing becomes maximum in the cylinder that has the ignition timing in the shortest time from when there is a request to lower the mechanical compression ratio as in the control, the mechanical compression ratio can be achieved by operating the actuator. This is advantageous for responsiveness when lowering.
現在の機関回転数Nに係わらずに、機械圧縮比を低下させるための目標機械圧縮比Etの変更要求があったときには、現在のクランク角度CAが現在から最短で点火時期となる気筒において点火時期直後の筒内圧が極大となるクランク角度CAPMとなってからアクチュエータを作動するようにしても良いが、図12のフローチャートにおいては、現在の機関回転数Nが設定回転数N1以下であるとき、すなわち、ステップ103の判断が肯定される機関低回転時には、機械圧縮比を低下させるための目標機械圧縮比Etの変更要求があったときにはステップ105において直ぐにアクチュエータを作動させるようになっている。
Regardless of the current engine speed N, when there is a request for changing the target mechanical compression ratio Et to reduce the mechanical compression ratio, the ignition timing in the cylinder where the current crank angle CA is the shortest ignition timing from the present. Although the actuator may be operated after the crank angle CAPM at which the in-cylinder pressure immediately after reaches the maximum, in the flowchart of FIG. 12, when the current engine speed N is equal to or less than the set speed N1, that is, When the engine speed is low, the determination at
機械回転数Nが設定回転数N1以下のときには、図14に示すように、時刻t0において機械圧縮比を低下させる要求があってからいずれかの気筒の筒内圧が極大となる時刻t1までに比較的長い時間が経過することがあり、それまでアクチュエータを作動しないと、機械圧縮比変更の応答性が悪化する。それにより、機関回転数Nが設定回転数N1以下のときには、機械圧縮比を低下させる要求があったら直ぐにアクチュエータを作動して機関圧縮比変更の応答性が悪化しないようにしている。 When the mechanical rotational speed N is equal to or lower than the set rotational speed N1, as shown in FIG. 14, a comparison is made by the time t1 when the in-cylinder pressure of one of the cylinders becomes maximum after a request to reduce the mechanical compression ratio at the time t0. If the actuator is not operated until then, the response of changing the mechanical compression ratio is deteriorated. As a result, when the engine speed N is equal to or lower than the set speed N1, the actuator is actuated as soon as there is a request to lower the mechanical compression ratio so that the responsiveness of changing the engine compression ratio does not deteriorate.
機械圧縮比を低下させる際において、逆入力遮断クラッチ90のコロ95を外した後のアクチュエータの電力消費は、気筒内の圧力が高いほど少なくなる。それにより、機関回転数Nが設定回転数N1以下で、負荷センサ41により検出される機関負荷が設定負荷以上であり気筒内の圧力が全体的に高いときにだけ、機械圧縮比を低下させる要求があったら直ぐにアクチュエータを作動するようにしても良い。それにより、アクチュエータの全体的な消費電力をそれほど増大させることなく、機関圧縮比変更の応答性の悪化を抑制することができる。
When the mechanical compression ratio is lowered, the power consumption of the actuator after removing the
1 クランクケース
2 シリンダブロック
54,55 カムシャフト
59 駆動モータ
90 逆入力遮断クラッチ
A 可変圧縮比機構
DESCRIPTION OF
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US9845724B2 (en) | 2013-12-10 | 2017-12-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Internal combustion engine |
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-
2012
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