JP2019214995A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine.
高圧縮比(例えば、圧縮比が15以上)の内燃機関では、ピストンが吸気上死点にあるときのピストンと吸気弁及び排気弁との干渉を避けるために、ピストンの頂面に吸気弁用リセス及び排気弁用リセスを設けることが知られている(例えば、特許文献1)。 In an internal combustion engine having a high compression ratio (for example, a compression ratio of 15 or more), the top surface of the piston is provided with an intake valve to prevent interference between the piston and the intake and exhaust valves when the piston is at the intake top dead center. It is known to provide a recess and a recess for an exhaust valve (for example, Patent Document 1).
ところで、位相角を変更することができる吸気弁のバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、吸気弁の位相角を進角すると吸気弁の閉弁時期が吸気下死点に近づいて充填効率が高くなり、機関出力を大きくすることができる。一方、吸気弁の位相角を遅角すると、吸気弁の閉弁時期が吸気下死点から離れるため、ポンピング損失が低減せしめられ、この結果、内燃機関の熱効率を高めることができる。 By the way, in an internal combustion engine equipped with a valve timing mechanism of an intake valve that can change the phase angle, when the phase angle of the intake valve is advanced, the closing timing of the intake valve approaches the intake bottom dead center and the charging efficiency is high. As a result, the engine output can be increased. On the other hand, when the phase angle of the intake valve is retarded, the closing timing of the intake valve is away from the bottom dead center of the intake, so that the pumping loss is reduced, and as a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be increased.
一方、位相角を変更することができる排気弁のバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、排気弁の位相角を進角すると、排気弁の開弁時期が進角されることから排気効率を高めることができ、よって機関出力を大きくすることができる。一方、排気弁の位相角を遅角すると、排気弁の閉弁時期が遅角されることによって実膨張比が高くなり、よって熱効率を高めることができる。加えて、排気弁の位相角を遅角すると、排気弁の閉弁時期が遅角されることによってバルブオーバーラップが大きくなるため、ポンピング損失が低減され、この結果、内燃機関の熱効率を高めることができる。 On the other hand, in an internal combustion engine provided with a valve timing mechanism of an exhaust valve capable of changing a phase angle, when the phase angle of the exhaust valve is advanced, the exhaust valve opening timing is advanced, thereby improving the exhaust efficiency. Therefore, the engine output can be increased. On the other hand, when the phase angle of the exhaust valve is retarded, the actual expansion ratio is increased by delaying the valve closing timing of the exhaust valve, so that the thermal efficiency can be increased. In addition, when the phase angle of the exhaust valve is retarded, the valve closing time is retarded to increase the valve overlap, thereby reducing pumping loss and, as a result, increasing the thermal efficiency of the internal combustion engine. Can be.
しかしながら、排気弁の位相角を遅角すると、その分だけ吸気上死点における排気弁のリフト量が大きくなる。上述したような高圧縮比の内燃機関では上死点における燃焼室容積が小さいため、吸気上死点における排気弁のリフト量が大きくするためには、排気弁用リセスを深くすることが必要になる。 However, when the phase angle of the exhaust valve is retarded, the lift amount of the exhaust valve at the intake top dead center increases accordingly. In the internal combustion engine having a high compression ratio as described above, since the combustion chamber volume at the top dead center is small, it is necessary to deepen the exhaust valve recess in order to increase the lift amount of the exhaust valve at the intake top dead center. Become.
ここで、吸気効率や排気効率を高めるべく吸気弁や排気弁の面積を大きくすると、吸気弁用リセスや排気弁用リセスはピストンの外周付近まで延びるようにピストンの頂面に形成される。したがって、ピストンの強度を確保するためには、トップリング用の溝を吸気弁用リセスや排気弁用リセスの深さ位置よりもピストン頂面から離れた位置に設けることが必要である。換言すると、ピストンのトップランドの高さを、吸気弁用リセスや排気弁用リセスの深さよりも高くする必要がある。 Here, when the area of the intake valve or the exhaust valve is increased to increase the intake efficiency or the exhaust efficiency, the intake valve recess or the exhaust valve recess is formed on the top surface of the piston so as to extend to the vicinity of the outer periphery of the piston. Therefore, in order to secure the strength of the piston, it is necessary to provide the groove for the top ring at a position farther from the top surface of the piston than the depth position of the recess for the intake valve or the recess for the exhaust valve. In other words, the height of the top land of the piston needs to be higher than the depth of the intake valve recess and the exhaust valve recess.
しかしながら、ピストンのトップランドの高さが高くなると、その分だけクレビス領域が大きくなる。クレビス領域が大きくなると、クレビス領域内の混合気は燃焼しないことから未燃損失が増大し、結果的に内燃機関の熱効率の低下を招く。 However, as the height of the top land of the piston increases, the clevis area increases accordingly. When the clevis region becomes large, the air-fuel mixture in the clevis region does not burn, so that the unburned loss increases, and as a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine decreases.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧縮比が15以上の内燃機関において、内燃機関の出力点にて十分な出力を確保しつつ熱効率をできるだけ高めることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase thermal efficiency as much as possible while ensuring a sufficient output at an output point of an internal combustion engine in an internal combustion engine having a compression ratio of 15 or more. is there.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。 The present invention has been made to solve the above problems, and the gist thereof is as follows.
(1)機械圧縮比が15以上の内燃機関であって、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダに連通する吸気ポートを開閉すると共に作用角が180°以上である吸気弁と、前記シリンダに連通する排気ポートを開閉すると共に作用角が180°以上である排気弁と、前記吸気弁の位相角を変更する吸気可変バルブタイミング機構と、を備え、前記シリンダ内に形成される燃焼室に供給される吸気ガスの圧力から該燃焼室から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−10kPa以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができるように構成され、前記吸気可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開弁時期を吸気上死点よりも進角側の吸気ガスの充填効率が最大となる時期に設定することができるように構成され、前記排気弁は、吸気上死点よりも遅角側において閉弁するように駆動されることができ、前記ピストンは、該ピストンが吸気上死点にあるときに前記吸気弁と干渉しないように前記ピストンの頂面に設けられた吸気弁用リセスと、前記ピストンが吸気上死点にあるときに前記排気弁と干渉しないように設けられた排気弁用リセスとを備え、該排気弁用リセスの最大深さは前記吸気弁用リセスの最大深さ以下である、内燃機関。 (1) An internal combustion engine having a mechanical compression ratio of 15 or more, a piston reciprocating in a cylinder, an intake valve opening and closing an intake port communicating with the cylinder, and having an operating angle of 180 ° or more, and the cylinder An exhaust valve that opens and closes an exhaust port communicating with the exhaust valve and has an operation angle of 180 ° or more, and an intake variable valve timing mechanism that changes a phase angle of the intake valve; a combustion chamber formed in the cylinder; The pressure of the intake gas is controlled so that the pressure difference obtained by subtracting the pressure of the exhaust gas discharged from the combustion chamber from the pressure of the supplied intake gas is -10 kPa or more. The valve timing mechanism is configured such that the opening timing of the intake valve can be set to a timing at which the charging efficiency of the intake gas on the advanced side of the intake top dead center is maximized, The exhaust valve can be driven so as to close on a more retarded side than the intake top dead center, and the piston is so arranged that it does not interfere with the intake valve when the piston is at the intake top dead center. An intake valve recess provided on the top surface of the piston, and an exhaust valve recess provided so as not to interfere with the exhaust valve when the piston is at the intake top dead center. An internal combustion engine, wherein a maximum depth is equal to or less than a maximum depth of the intake valve recess.
本発明によれば、圧縮比が15以上の内燃機関において、内燃機関の出力点にて十分な出力を確保しつつ熱効率をできるだけ高めることができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, in an internal combustion engine having a compression ratio of 15 or more, it is possible to increase the thermal efficiency as much as possible while ensuring a sufficient output at the output point of the internal combustion engine.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are assigned to similar components.
<内燃機関全体の説明>
図1は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関100を概略的に示す図である。図1に示したように、内燃機関100は、シリンダブロック2と、シリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド3とを備えた機関本体1を備える。シリンダブロック2内には複数のシリンダ4が形成され、これらシリンダ4内をピストン5が往復運動する。シリンダ4とピストン5とシリンダヘッド3とによって、混合気が燃焼する燃焼室6が画定される。
<Description of the entire internal combustion engine>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an
本実施形態では、燃焼室6は、機械圧縮比が15以上の比較的高い値となるように構成される。ここで、機械圧縮比は、ピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積(ピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積に行程容積を加えた容積)をピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積で割った値を意味する。
In the present embodiment, the
シリンダヘッド3には、シリンダ4に連通する吸気ポート7と、シリンダ4に連通する排気ポート8とが形成される。また、シリンダヘッド3には、燃焼室6に対して吸気ポート7を開閉する吸気弁9と、燃焼室6に対して排気ポート8を開閉する排気弁10とが設けられる。
An
また、図1に示したように、シリンダヘッド3の各シリンダ4に面する内壁面の中央部には点火プラグ11が配置される。点火プラグ11は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。加えて、シリンダヘッド3の吸気ポート7周辺には、燃料噴射弁12が配置される。燃料噴射弁12は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を吸気ポート7内に噴射する。なお、燃料噴射弁12は、燃焼室6内に燃料を直接噴射するように燃焼室6に面して配置されてもよい。
Further, as shown in FIG. 1, a spark plug 11 is disposed at the center of the inner wall surface of each
各気筒の吸気ポート7はそれぞれ対応する吸気枝管13を介してサージタンク14に連結され、サージタンク14は吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ポート7、吸気枝管13、サージタンク14、吸気管15は吸気通路を形成する。また、吸気管15内にはスロットル弁駆動アクチュエータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置される。スロットル弁18は、スロットル弁駆動アクチュエータ17によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
The
一方、各気筒の排気ポート8は排気マニホルド19に連結される。排気マニホルド19は、排気浄化触媒20を内蔵した上流側ケーシング21に連結される。上流側ケーシング21の出口は、排気管22に連結される。排気ポート8、排気マニホルド19、上流側ケーシング21及び排気管22は、排気通路を形成する。
On the other hand, the
内燃機関100は、EGR機構を備える。EGR機構は、排気マニホルド19とサージタンク14とを互いに連結する排気再循環(EGR)通路25と、EGR通路25内に配置された電気制御式のEGR制御弁26とを備える。また、EGR通路25周りにはEGR通路25内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置27が配置される。EGR制御弁26の開度を調整することによって、燃焼室6内へ再び供給される排気ガスの流量を制御することができ、その結果、燃焼室6内に吸入される吸気ガスのEGR率を制御することできる。ここで、EGR率とは、燃焼室6に吸入される吸気ガスの総量に対するEGRガスの量の比率を意味する。
The
本実施形態の内燃機関100は、吸気可変バルブタイミング機構28と、排気可変バルブタイミング機構29とを更に備える。吸気可変バルブタイミング機構28は、吸気弁9の位相角を変更することができるように構成される。また、本実施形態の吸気可変バルブタイミング機構28は、吸気弁9の作用角が180°以上の所定角度に維持されて変更されないように構成される。したがって、吸気可変バルブタイミング機構28によれば、吸気弁9の開弁時期と閉弁時期がこれらの角度間隔を一定に保ちながら変更せしめられる。
The
同様に、排気可変バルブタイミング機構29は、排気弁10の位相角を変更することができるように構成される。また、本実施形態の排気可変バルブタイミング機構29は、排気弁10の作用角が180°以上の所定角度に維持されて変更されないように構成される。したがって、排気可変バルブタイミング機構29によれば、排気弁10の開弁時期と閉弁時期がこれらの角度間隔を一定に保ちながら変更せしめられる。なお、内燃機関100は、必ずしも排気可変バルブタイミング機構29を備えなくてもよい。
Similarly, the exhaust variable
本実施形態の内燃機関100は、電子制御ユニット(ECU)31と、各種センサを備える制御装置を具備する。ECU31はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36及び出力ポート37を具備する。吸気管15には、吸気管15内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ39が配置される。また、排気マニホルド19には排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ40が配置される。これらエアフロメータ39及び空燃比センサ40の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
The
また、アクセルペダル42にはアクセルペダル42の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ43が接続され、負荷センサ43の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。クランク角センサ44は例えばクランクシャフトが15度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35ではこのクランク角センサ44の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート37は対応する駆動回路45を介して点火プラグ11、燃料噴射弁12、スロットル弁駆動アクチュエータ17及びEGR制御弁26に接続される。
A
また、本実施形態の内燃機関100は、リーンバーン内燃機関である。したがって、機関負荷が低いときには、燃焼室6には、空燃比が40以上の混合気が供給される。このため、機関負荷が低いときにおいてもスロットル弁18の開度は比較的大きい開度とされ、スロットル弁18下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力は比較的高い圧力に維持される。したがって、このときは燃焼室6に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室6から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差は−10kPa以上となる。これにより、スロットル弁18の開度を小さくすることによるポンピング損失を低減することができる。
Further, the
また、機関負荷が高いときには、燃焼室6には、空燃比が理論空燃比近傍の混合気が供給される。この場合にも、スロットル弁18の開度は比較的大きい開度とされ、したがってスロットル弁18下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力は比較的高い圧力に維持される。
When the engine load is high, the
なお、本実施形態の内燃機関100は、リーンバーン内燃機関とされているが、スロットル弁18下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力を高くしてポンピング損失を低減することができれば、異なる内燃機関であってもよい。例えば、EGR機構によりEGRガスを吸気通路内に導入することによっても、スロットル弁18下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力を高めることができる。この場合には、内燃機関の負荷が低いときに、燃焼室6に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室6から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−10kPa以上となるように、EGR機構によるEGR率が制御される。
Although the
いずれにせよ、内燃機関100は、内燃機関の負荷が低いときに、燃焼室6に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室6から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−10kPa以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができれば、どのように構成されてもよい。
In any case, when the load on the
<ピストンの構成>
次に、図2〜図4を参照して、本実施形態の内燃機関100において用いられるピストン5の構成について説明する。図2はピストン5を概略的に示す斜視図であり、図3は燃焼室6側から見たピストン5の平面図である。図4は、図3のIV−IVに沿って見たピストン5の頂面近傍における断面図である。
<Structure of piston>
Next, the configuration of the
図2〜図4からわかるように、ピストン5の頂面には、平坦部51と、隆起部52と、吸気弁用リセス53と、排気弁用リセス54とが設けられる。なお、本明細書では、ピストン5の軸線X方向においてピストン5から燃焼室6に向かう方向を上方、ピストン5の軸線X方向においてピストン5からクランクシャフト(図示せず)に向かう方向を下方と称する。しかしながら、機関本体1は、必ずしもピストン5の軸線Xが鉛直方向に延びるように配置される必要はなく、ピストン5の軸線Xが鉛直方向に対して傾斜して延びるように配置されたり、水平方向に延びるように配置されたりしてもよい。
As can be seen from FIGS. 2 to 4, a
平坦部51は、ピストン5の頂面に形成されると共にピストン5の軸線Xに対して垂直に延びる。隆起部52は、平坦部51から上方に突出するように構成される。隆起部52は、ピストン5が上死点にあるときに吸気弁9の弁体9aの一部と対向するように配置された吸気側傾斜面52aと、ピストン5が上死点にあるときに排気弁10の弁体10aの一部と対向するように配置された排気側傾斜面52bと、これら傾斜面52a、52bとの間に設けられた突出面52cとを備える。
The
吸気側傾斜面52aは、吸気弁9の軸線に対してほぼ垂直に延びるように、したがって吸気弁9の弁体9aの燃焼室6側の平面と平行に延びるように形成される。また、排気側傾斜面52bは、排気弁10の軸線に対してほぼ垂直に延びるように、したがって排気弁10の弁体10aの燃焼室6側の平面と平行に延びるように形成される。突出面52cは、平坦部51の平面と平行に、ピストン5の軸線Xに対して垂直に延びる。
The intake-side
吸気弁用リセス53は、平坦部51から下方に凹むように形成される。また、吸気弁用リセス53は、ピストン5が上死点にあるときに吸気弁9の弁体9aの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ4当たり二つの吸気弁9が設けられることから、各ピストン5には二つの吸気弁用リセス53が設けられる。吸気弁用リセス53は、吸気弁9の軸線に対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は隆起部52の吸気側傾斜面52aと平行に吸気側傾斜面52aから連続して延びるように構成される。したがって、吸気弁用リセス53は、ピストン5が吸気上死点にあるときに吸気弁9とピストン5とが干渉しないようにピストン5の頂面に設けられる。
The
排気弁用リセス54は、平坦部51から下方に凹むように形成される。また、排気弁用リセス54は、ピストン5が上死点にあるときに排気弁10の弁体10aの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ4当たり二つの排気弁10が設けられることから、各ピストン5には二つの排気弁用リセス54が設けられる。排気弁用リセス54は、排気弁10の軸線に対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は隆起部52の排気側傾斜面52bと平行に排気側傾斜面52bから連続して延びるように構成される。したがって、排気弁用リセス54は、ピストン5が吸気上死点にあるときに排気弁10とピストン5とが干渉しないようにピストン5の頂面に設けられる。
The
ピストン5の外周面には、ピストンリングを収容するための三つのリング溝55〜57が設けられる。これらリング溝55は、ピストン5の軸線Xに対して垂直な平面上においてピストン5の周方向に全周に亘って延びるように形成される。これら三つのリング溝55〜57のうち最も上方に設けられた第1リング溝55にはトップリング(図示せず)が配置され、中央に設けられた第2リング溝56にはセカンドリング(図示せず)が配置される。三つのリング溝55〜57のうち最も下方に設けられた第3リング溝57にはオイルリング(図示せず)が配置される。なお、ピストン5の外周面のうちピストン5の頂面から第1リング溝55までの領域をトップランド58と称する。
The outer peripheral surface of the
ここで、ピストン5の平坦部51の平面からの吸気弁用リセス53の深さの最大値dinを吸気弁用リセス53の最大深さと称し、ピストン5の平坦部51の平面からの排気弁用リセス54の深さの最大値dexを排気弁用リセス54の最大深さと称する。本実施形態では、排気弁用リセス54は、排気弁用リセス54の最大深さdexが吸気弁用リセス53の最大深さdin以下になるように構成される。特に、排気弁用リセス54は、排気弁用リセス54の最大深さdexが吸気弁用リセス53の最大深さdinよりも小さくなるように構成されるのが好ましい。
Here, the maximum value din of the depth of the
ピストン5が吸気上死点にあるときに吸気弁9及び排気弁10が取り得る最大リフト量は、吸気弁用リセス53及び排気弁用リセス54の深さに応じて変化する。これらリセス53、54を深くするほど吸気弁9や排気弁10が取り得る最大リフト量が大きくなる。したがって、本実施形態では、ピストン5が吸気上死点にあるときに排気弁10が取り得る最大リフト量は、ピストン5が吸気上死点にあるときに吸気弁9が取り得る最大リフト量以下であるか又はそれよりも小さい。
The maximum lift that the intake valve 9 and the
なお、吸気弁用リセス53及び排気弁用リセス54の深さが最大となる領域はピストン5の外周面に近接して位置する。このため、ピストン5の平坦部51の平面から第1リング溝55までのピストン5の軸線X方向における長さ(以下、「トップランド58の高さ」という)を、吸気弁用リセス53や排気弁用リセス54の最大深さと同程度にすると、トップランド58の近傍においてピストン5の強度が弱くなる。したがって、第1リング溝55は、トップランド58の高さが吸気弁用リセス53及び排気弁用リセス54のうちの深い方(すなわち、本実施形態では吸気弁用リセス53)の最大深さよりも或る程度大きくなるように配置される。特に、本実施形態では、第1リング溝55は、ピストン5の強度を十分に確保することができる範囲内においてトップランド58の高さができるだけ小さくなるように配置される。
The region where the depth of the
<吸気弁及び排気弁の制御>
次に、図5を参照して、吸気弁9及び排気弁10の位相角(バルブタイミング)の制御について説明する。図5は、吸気弁9及び排気弁10の位相角を示す図である。図5(A)は、機関負荷が高いときにおける吸気弁9及び排気弁10の位相角を示しており、図5(B)は、機関負荷が低いときにおける吸気弁9及び排気弁10の位相角を示している。
<Control of intake and exhaust valves>
Next, control of the phase angle (valve timing) of the intake valve 9 and the
また、図5において、IVOは吸気弁9の開弁時期、IVCは吸気弁9の閉弁時期、EVOは排気弁10の開弁時期、EVCは排気弁10の閉弁時期をそれぞれ示している。また、図中の矢印INで示した期間が吸気弁9の開弁期間を示しており、図中の矢印EXで示した期間が排気弁10の開弁期間を示している。
In FIG. 5, IVO indicates the opening timing of the intake valve 9, IVC indicates the closing timing of the intake valve 9, EVO indicates the opening timing of the
図5(A)に示したように、機関負荷が高いときには、吸気弁9の位相角は相対的に進角せしめられる。図5(A)に示した例では、吸気弁9の作用角は、235°に設定されていると共に、吸気弁9の開弁時期IVOが25°BTDCに設定され、吸気弁9の閉弁時期IVCが30°ABDCに設定されている。吸気弁9の開弁時期IVOを上死点よりも進角側にすることで、吸気弁9及び排気弁10の両方が同時に開いているバルブオーバーラップ期間(図中のVO)が作られ、これによって吸気ガスの充填効率を高めることができる。また、吸気弁9の閉弁時期IVCを僅かに下死点よりも遅角させることにより、吸気ガスの慣性力によって吸気ガスの充填効率を高めることができる。
As shown in FIG. 5A, when the engine load is high, the phase angle of the intake valve 9 is relatively advanced. In the example shown in FIG. 5A, the operating angle of the intake valve 9 is set to 235 °, the opening timing IVO of the intake valve 9 is set to 25 ° BTDC, and the intake valve 9 is closed. Timing IVC is set to 30 ° ABDC. By setting the valve opening timing IVO of the intake valve 9 to be more advanced than the top dead center, a valve overlap period (VO in the figure) in which both the intake valve 9 and the
このように、吸気弁9の開弁時期IVOを吸気上死点よりも進角側の時期に設定し、閉弁時期IVCを吸気下死点よりも遅角側の時期に設定することで、吸気ガスの充填効率を高めることができる。特に、吸気弁9の位相角を、吸気弁9の開弁時期IVOが吸気上死点よりも進角側となり且つ閉弁時期IVCを吸気下死点よりも遅角側となるような特定の位相角に設定すると、その作用角の吸気弁において吸気ガスの充填効率が最大となる。本実施形態では、吸気可変バルブタイミング機構28は、吸気弁9はその作用角の吸気弁において吸気ガスの充填効率が最大となるような位相角になるような時期を含む範囲内において、吸気弁9の位相角を制御することができる。この結果、内燃機関100の最も出力が高くなる運転状態である出力点において、十分な出力を確保することができる。
Thus, by setting the valve opening timing IVO of the intake valve 9 to a timing advanced from the intake top dead center and setting the valve closing timing IVC to a timing retarded from the intake bottom dead center, The charging efficiency of the intake gas can be increased. In particular, the phase angle of the intake valve 9 is set so that the valve opening timing IVO of the intake valve 9 is advanced from the intake top dead center and the valve closing timing IVC is retarded from the intake bottom dead center. When the phase angle is set, the charging efficiency of the intake gas is maximized at the intake valve of that working angle. In the present embodiment, the intake variable
一方、図5(A)に示したように、機関負荷が高いときには、排気弁10の位相角は比較的進角側に設定されている。図5(A)に示した例では、排気弁10の作用角は230°に設定されていると共に、排気弁10の開弁時期EVOが45°BBDCに設定され、排気弁10の閉弁時期EVCが5°ATDCに設定されている。排気弁10の開弁時期EVOを排気下死点よりも進角側にすることで混合気の膨張の圧力を利用して排気ガスを強制的に排出することができる。また、排気弁10の閉弁時期EVCを吸気上死点よりも遅角させることによりバルブオーバーラップ期間が作られ、よって吸気ガスの充填効率が高められる。
On the other hand, as shown in FIG. 5A, when the engine load is high, the phase angle of the
また、吸気弁9及び排気弁10の位相角は、機関回転速度に応じて変化せしめられる。機関負荷が高いときには、吸気弁9及び排気弁10の位相角は、基本的に機関回転速度が速くなるほど進角せしめられる。これにより、吸気ガスの充填効率を高めることができる。
Further, the phase angles of the intake valve 9 and the
一方、図5(B)に示したように、機関負荷が低いときには、吸気弁9の位相角は相対的に遅角せしめられる。図5(B)に示した例では、このとき、吸気弁9の開弁時期IVOが0°BTDCに設定され、吸気弁9の閉弁時期IVCが55°ABDCに設定されている。このように吸気弁9の閉弁時期IVCが遅角されることにより、ポンピング損失が低減され、よって熱効率を高めることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the engine load is low, the phase angle of the intake valve 9 is relatively retarded. In the example shown in FIG. 5B, at this time, the valve opening timing IVO of the intake valve 9 is set to 0 ° BTDC, and the valve closing timing IVC of the intake valve 9 is set to 55 ° ABDC. By delaying the valve closing timing IVC of the intake valve 9 in this manner, pumping loss is reduced, so that thermal efficiency can be increased.
加えて、本実施形態では、図5(B)に示したように、機関負荷が低いときにも、排気弁10の位相角は比較的進角側に設定されている。図5(B)に示した例では、排気弁10の位相角は機関負荷が高いときと同一に設定されており、よって排気弁10の開弁時期EVOが45°BBDCに設定され、排気弁10の閉弁時期EVCが5°ATDCに設定されている。
In addition, in the present embodiment, as shown in FIG. 5B, even when the engine load is low, the phase angle of the
また、機関負荷が低いときにおいても、吸気弁9及び排気弁10の位相角は、機関回転速度に応じても変化せしめられる。機関負荷が低いときには、吸気弁9の位相角は、機関回転速度が遅いとき(例えば、2000rpm未満)には機関回転速度が速くなるにつれて進角せしめられ、機関回転速度が速いときに(例えば、2000rpm以上)には機関回転速度が速くなるにつれて遅角せしめられる。
In addition, even when the engine load is low, the phase angles of the intake valve 9 and the
本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度と吸気弁9の位相角及び排気弁10の位相角との関係が予め実験的に又は試験によって算出され、マップとしてECU31のROM34に保存される。そして、負荷センサ43によって検出された機関負荷とクランク角センサ44の出力に基づいて算出された機関回転速度とに基づいて、ROM34に保存されたマップを用いて、吸気弁9の目標位相角及び排気弁10の目標位相角が算出される。吸気可変バルブタイミング機構28及び排気可変バルブタイミング機構29は、この目標位相角となるように吸気弁9及び排気弁10の位相角を制御する。
In the present embodiment, the relationship between the engine load and the engine rotation speed and the phase angle of the intake valve 9 and the phase angle of the
<作用・効果>
図6〜図8を参照して、上記実施形態に係る内燃機関100における作用・効果を説明する。図6は、吸気弁9及び排気弁10の位相角を示す図である。図6は、図5に示した排気弁10の位相角を比較的進角側に設定した場合との比較のために、排気弁10の位相角を比較的遅角側に設定した場合を示している。図6(A)は、吸気弁9の位相角を図5(A)と同様に相対的に進角側に設定した場合を、図6(B)は、吸気弁9の位相角を図5(B)と同様に相対的に遅角側に設定した場合を示している。
<Action / Effect>
The operation and effect of the
図6(A)及び図6(B)に示した例では、排気弁10の作用角は230°に設定されている共に、排気弁10の開弁時期EVOが15°BBDCに設定され、排気弁10の閉弁時期EVCが35°ATDCに設定されている。
In the example shown in FIGS. 6A and 6B, the operating angle of the
また、図6(A)に示した例では、図5(A)と同様に、吸気弁9の開弁時期IVOが25°BTDCに設定され、吸気弁9の閉弁時期IVCが30°ABDCに設定されている。一方、図6(B)に示した例では、吸気弁9の開弁時期IVOが5°ATDCに設定され、吸気弁9の閉弁時期IVCが60°ABDCに設定されている。 In the example shown in FIG. 6A, similarly to FIG. 5A, the valve opening timing IVO of the intake valve 9 is set to 25 ° BTDC, and the valve closing timing IVC of the intake valve 9 is set to 30 ° ABDC. Is set to On the other hand, in the example shown in FIG. 6B, the valve opening timing IVO of the intake valve 9 is set to 5 ° ATDC, and the valve closing timing IVC of the intake valve 9 is set to 60 ° ABDC.
排気弁10の位相角をこのように設定した場合には、ピストン5が吸気上死点にあるときには排気弁10は吸気弁9よりも開いている。したがって、排気弁用リセス54は、その最大深さが吸気弁用リセス53の最大深さよりも大きくなるように形成されることになる。そして、上述したように、トップランド58の高さは吸気弁用リセス53及び排気弁用リセス54のうちの深い方の最大深さに応じて設定される。このため、排気弁10の位相角をこのように設定した場合には、ピストン5は、トップランド58の高さが比較的高くなるように構成されることになる。
When the phase angle of the
図7及び図8は、機械圧縮比と熱効率との関係を示す図である。図中の破線Aは、吸気弁9の位相角が進角側に設定され且つ排気弁10の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図5(A)に示したように設定されている場合を示している。図中の一点鎖線Bは、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図5(B)に示したように設定されている場合を示している。
7 and 8 are diagrams showing the relationship between the mechanical compression ratio and the thermal efficiency. A broken line A in the figure indicates a case where the phase angle of the intake valve 9 is set on the advance side and the phase angle of the
一方、図中の破線Cは、吸気弁9の位相角が進角側に設定され且つ排気弁10の位相角が遅角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図6(A)に示したように設定されている場合を示している。図中の一点鎖線Dは、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が遅角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図6(B)に示したように設定されている場合を示している。
On the other hand, a broken line C in the figure indicates that the phase angle of the intake valve 9 is set to the advanced side and the phase angle of the
なお、これら線A〜Dは、いずれも図6に示したように排気弁10の位相角を遅角させても排気弁10とピストン5とが干渉しないように、排気弁用リセス54の最大深さが吸気弁用リセス53の最大深さよりも大きくなるようにピストン5が形成されている場合を示している。したがって、線A〜Dは、ピストン5のトップランド58の高さが比較的高い場合を示している。
In addition, these lines A to D correspond to the maximum of the
一方、図中の実線Eは、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図5(B)に示したように設定されている場合を示している。加えて、図中の実線Eは、排気弁用リセス54の最大深さが吸気弁用リセス53の最大深さ以下になるようにピストン5が形成されている場合を示している。したがって、実線Eは、ピストン5のトップランド58の高さが比較的低い場合を示している。なお、実線Eで示した場合には、排気弁10の位相角が進角側に設定されていることから、排気弁用リセス54の最大深さを小さくしても排気弁10とピストン5とは吸気上死点においても干渉しない。
On the other hand, the solid line E in the figure indicates that the phase angle of the intake valve 9 is set to the retard side and the phase angle of the
ここで、図7は、リーンバーン内燃機関ではなく且つEGRガスを燃焼室6に大量に供給することができない内燃機関における機械圧縮比と熱効率との関係を示している。したがって、図7は、燃焼室6に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室6から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差(以下、「吸排気圧力差」ともいう)が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関における関係を示している。
Here, FIG. 7 shows the relationship between the mechanical compression ratio and the thermal efficiency in an internal combustion engine that is not a lean burn internal combustion engine and cannot supply a large amount of EGR gas to the
図7からわかるように、吸排気圧力差が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関では、いかなる機械圧縮比においても、一点鎖線Dが最も熱効率が高いことがわかる。すなわち、吸排気圧力差が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関では、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が遅角側に設定されると、機械圧縮比に無関係に熱効率が高いことがわかる。
As can be seen from FIG. 7, in the internal combustion engine that is operated in a state where the intake / exhaust pressure difference is lower than −10 kPa, the dashed line D has the highest thermal efficiency at any mechanical compression ratio. That is, in the internal combustion engine that is operated in a state where the intake / exhaust pressure difference is lower than −10 kPa, the phase angle of the intake valve 9 is set to the retard side and the phase angle of the
一方、図8は、リーンバーン内燃機関やEGRガスを燃焼室6に大量に供給することができる内燃機関における機械圧縮比と熱効率との関係を示している。したがって、図8は、吸排気圧力差が−10kPa以上の状態で運転されている内燃機関100における関係を示している。
On the other hand, FIG. 8 shows the relationship between the mechanical compression ratio and the thermal efficiency in a lean burn internal combustion engine or an internal combustion engine capable of supplying a large amount of EGR gas to the
図8からわかるように、機械圧縮比が15未満の領域では、一点鎖線Dの熱効率が最も高いことがわかる。したがって、吸排気圧力差が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関でも、機械圧縮比が15未満の領域では、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が遅角側に設定されると熱効率が高いといえる。
As can be seen from FIG. 8, in the region where the mechanical compression ratio is less than 15, the thermal efficiency indicated by the dashed line D is the highest. Therefore, even in an internal combustion engine that is operated in a state where the intake / exhaust pressure difference is lower than −10 kPa, in a region where the mechanical compression ratio is less than 15, the phase angle of the intake valve 9 is set to the retard side and the
しかしながら、機械圧縮比が15以上の領域では、実線Eの熱効率が最も高いことがわかる。したがって、吸排気圧力差が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関では、機械圧縮比が15以上の領域では、排気弁用リセス54の最大深さを小さくしてピストン5のトップランド58の高さを低くすると共に、吸気弁9の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁10の位相角が進角側に設定すると、熱効率が高くなる。
However, it can be seen that the solid line E has the highest thermal efficiency in the region where the mechanical compression ratio is 15 or more. Therefore, in an internal combustion engine that is operated in a state where the intake / exhaust pressure difference is lower than −10 kPa, in the region where the mechanical compression ratio is 15 or more, the maximum depth of the
このように吸排気圧力差が−10kPa以上の状態で運転されている内燃機関100において、機械圧縮比が15以上の領域では実線Eが最も熱効率が高くなるのは下記のような理由によるものであると考えられる。
As described above, in the
すなわち、機械圧縮比が高くなるほど、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積に占めるクレビス領域(ピストン5のトップランド58とシリンダ4内面との間の領域)の割合が高くなる。クレビス領域内に存在する混合気は、燃焼室6内の混合気に点火されても燃焼せずに残るため、クレビス領域の割合が高くなると未燃損失が増大する。したがって、機械圧縮比が高くなるほど未燃損失は増大する。
That is, as the mechanical compression ratio increases, the ratio of the clevis region (region between the
ここで、上述したようにトップランド58の高さが低くなると、クレビス領域が小さくなる。したがって、トップランド58の高さが低くなると未燃損失を低減することができる。したがって、排気弁用リセス54の最大深さを小さくすることによって未燃損失を低減させることができる。
Here, as described above, when the height of the
一方、排気弁10の位相角を遅角させることによって排気弁10の開弁時期IVOが遅角せしめられる。このため排気ガスの燃焼エネルギのピストン5の運動エネルギへの変換割合が高くなるため、内燃機関の熱効率を向上させることができる。そして、機械圧縮比が15未満であるときには、クレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減よりも排気弁10の開弁時期IVOを遅角させることによる熱効率の向上の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、機械圧縮比が15未満の領域では一点鎖線Dの熱効率が最も高くなっていると考えられる。一方、機械圧縮比が15以上であるときには、排気弁10の開弁次期IVOを遅角させることによる熱効率の向上よりもクレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、機械圧縮比が15以上の領域では実線Eの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
On the other hand, by retarding the phase angle of the
また、吸排気圧力差が−10kPaよりも低い状態で運転されている内燃機関100では、もともとポンピング損失が大きい。このため、排気弁10の位相角を遅角してバルブオーバーラップ期間を長くすることによってポンピング損失を大きく低減することができ、よって熱効率を大きく向上させることができる。このため、吸排気圧力差が−10kPaよりも小さい内燃機関100では、クレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減よりも、排気弁10の閉弁時期IVCを遅角させることによる熱効率の向上の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、図7では、機械圧縮比にかかわらず、一点鎖線Dの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
Further, in the
一方、吸排気圧力差が−10kPa以上の状態で運転されている内燃機関100では、もともとポンピング損失が小さい。このため、排気弁10の位相角を遅角してバルブオーバーラップ期間を長くしても、ポンピング損失を低減させる効果がそれほど高くない。このため、図8では、機械圧縮比によっては、実線Eの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
On the other hand, in the
以上より、本実施形態では、機関負荷が低いときでも吸排気圧力差が−10kPa以上の状態で運転されるように吸気ガスの圧力が制御されている機械圧縮比が15以上の内燃機関において、排気弁用リセス54の最大深さを小さくしてピストン5のトップランド58の高さを低くすることができる。したがって、熱効率をできるだけ高くすることができる。
As described above, in the present embodiment, even when the engine load is low, in the internal combustion engine having a mechanical compression ratio of 15 or more in which the pressure of the intake gas is controlled such that the intake and exhaust pressure difference is operated in a state of −10 kPa or more, By reducing the maximum depth of the
1 機関本体
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 シリンダ
5 ピストン
6 燃焼室
9 吸気弁
10 排気弁
28 吸気可変バルブタイミング機構
29 排気可変バルブタイミング機構
51 平坦部
52 隆起部
53 吸気弁用リセス
54 排気弁用リセス
55 第1リング溝
58 トップランド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 2
Claims (1)
シリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダに連通する吸気ポートを開閉すると共に作用角が180°以上である吸気弁と、前記シリンダに連通する排気ポートを開閉すると共に作用角が180°以上である排気弁と、前記吸気弁の位相角を変更する吸気可変バルブタイミング機構と、を備え、
前記シリンダ内に形成される燃焼室に供給される吸気ガスの圧力から該燃焼室から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−10kPa以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができるように構成され、
前記吸気可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開弁時期を吸気上死点よりも進角側の吸気ガスの充填効率が最大となる時期に設定することができるように構成され、
前記排気弁は、吸気上死点よりも遅角側において閉弁するように駆動されることができ、
前記ピストンは、該ピストンが吸気上死点にあるときに前記吸気弁と干渉しないように前記ピストンの頂面に設けられた吸気弁用リセスと、前記ピストンが吸気上死点にあるときに前記排気弁と干渉しないように設けられた排気弁用リセスとを備え、該排気弁用リセスの最大深さは前記吸気弁用リセスの最大深さ以下である、内燃機関。 An internal combustion engine having a mechanical compression ratio of 15 or more,
A piston that reciprocates in a cylinder, an intake valve that opens and closes an intake port communicating with the cylinder and has an operating angle of 180 ° or more, and an exhaust port that opens and closes an exhaust port communicating with the cylinder and has an operating angle of 180 ° or more. An exhaust valve, comprising an intake variable valve timing mechanism for changing the phase angle of the intake valve,
Controlling the pressure of the intake gas so that the pressure difference obtained by subtracting the pressure of the exhaust gas discharged from the combustion chamber from the pressure of the intake gas supplied to the combustion chamber formed in the cylinder is -10 kPa or more; Is configured so that
The intake variable valve timing mechanism is configured such that the opening timing of the intake valve can be set to a timing at which the charging efficiency of intake gas on the advanced side of the intake top dead center is maximized,
The exhaust valve can be driven to close on a more retarded side than the intake top dead center,
The piston includes an intake valve recess provided at a top surface of the piston so that the piston does not interfere with the intake valve when the piston is at the intake top dead center. An internal combustion engine comprising: an exhaust valve recess provided so as not to interfere with the exhaust valve, wherein a maximum depth of the exhaust valve recess is less than or equal to a maximum depth of the intake valve recess.
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