JP4089407B2 - High expansion ratio cycle engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮比に対して膨張比を大きく設定した高膨張比サイクルエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車等の車両の駆動源として、吸気・圧縮・膨張・排気の4行程(ストローク)からなるオットーサイクルのガソリンエンジンが広く普及している。このようなガソリンエンジンでは種々の改善や工夫により熱効率の向上が図られているが、より一層の熱効率の向上を図りたいという要望がある。
【0003】
熱効率の向上を図るには、エンジンの膨張時のストロークを長くして膨張比を高めればよいことが知られているが、オットーサイクルの場合、各行程におけるピストンストロークは同一であり膨張比と圧縮比とは等しい。このため、膨張比を高めると圧縮比も高くなってしまい、圧縮による発熱により燃焼室内で混合気が早期着火してノッキングが生じやすくなる。したがって、熱効率の向上を図るべく大幅に膨張比(=圧縮比)を高めようとしても限界が低く、実質的に膨張比を高めるのは困難である。
【0004】
そこで、従来より、吸気弁の閉弁時期を大幅に進角したり、或いは吸気弁の閉弁時期を大幅に遅角したりすることで吸気量を制限し、実質的に膨張比を圧縮比よりも大きく設定するようにした、高膨張比サイクル(以下、ミラーサイクル又はアトキンソンサイクルともいう)のエンジンが実用化されている。また、このようなミラーサイクルエンジンに関する技術としては、例えば特許文献1及び特許文献2にも開示されている。
【0005】
以下、このようなミラーサイクルを適用したエンジンについて図6及び図7の指圧線図を用いて簡単に説明する。このうち、図6はピストンが下死点に到達するよりも早いタイミングで吸気弁を閉じる、いわゆる吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルエンジンの指圧線図、図7はピストンが下死点に到達した後のタイミングで吸気弁を閉じる、いわゆる吸気弁遅閉じタイプのミラーサイクルエンジンの指圧線図である。
【0006】
まず、図6を用いて吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルエンジンの作動について説明すると、ピストンが上死点(TDC:図中a点)から下降して吸気行程が開始されると、筒内圧は略大気圧を保持したまま吸気弁から吸気(又は混合気)が取り込まれる。そして、下死点(BDC)手前の所定のタイミング(図中b点)において吸気弁が閉じられ、これにより実質的な吸気行程が終了する。
【0007】
その後、ピストンの下降に伴い筒内圧が低下し、ピストンが下死点(図中c点)に達すると吸気行程が終了する。そして、ピストンが上昇に反転すると吸気行程から圧縮行程に移行し、ピストンの上昇に伴い筒内圧が徐々に上昇する。さらにピストンが上昇して筒内圧がb点における圧力よりも高くなる(図中d点)と、このときのピストンのストローク位置から上死点(図中e点)までの間が実質的な圧縮行程となって吸気の圧縮が行なわれる。
【0008】
また、ピストンが上死点まで達すると圧縮行程が終了するとともに膨張行程が開始される。すなわち、ピストンの上死点近傍において混合気が着火,燃焼し、燃焼圧力により急激に筒内圧が上昇するとともにピストンが下降に転じる(図中f点)。そして、ピストンが下死点(図中g点)まで達すると膨張行程から排気行程に移行し、略大気圧の状態で燃焼ガスが排出される。さらに、ピストンが上死点(図中a点)に達すると一連のミラーサイクルが終了し、再び吸気行程が開始される。
【0009】
そして、このような吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルでは、吸気弁をピストンが下死点に達するよりも大幅に早いタイミング(図中b点)で閉じることにより吸気量が低減され、これにより実際の圧縮比が大幅に低下する。
また、膨張行程は従来通りピストンの上死点から下死点までであるので、相対的に膨張行程が実質的な圧縮行程よりも大きくなり、これにより膨張比ε>実際の圧縮比ρとすることができる。なお、以下では実際の圧縮比を幾何学的圧縮比ともいう。
【0010】
このように膨張比εを幾何学的圧縮比ρよりも大きくすることで、ポンプ損失(ポンピングロス)を低減して熱効率の向上が図られる。また、低圧縮比化(例えば圧縮比ρ=9,ε=14)によりノッキング(ノック)を回避することができる。ただし、このようなミラーサイクルでは排気量に対して吸気量が低下するため、相対的に出力が低くなる。そこで、従来は過給機により吸気を過給して出力を確保している。
【0011】
なお、このようなミラーサイクルエンジンは、一般的なオットーサイクルのエンジンに対して、吸気カムの形状を変更するのみで実現可能である。
また、図7に示す吸気弁遅閉じタイプのミラーサイクルについても、吸気弁の閉じるタイミングが異なる以外は、上述した吸気弁早閉じタイプと同様に作用する。つまり、ピストンが上死点(図中a点)から下降して吸気行程が開始されると、筒内圧は略大気圧を保持したまま吸気弁から吸気(又は混合気)が取り込まれる。
【0012】
そして、ピストンが下死点(図中c点)に達した後も、吸気弁を開いた状態を保持して、これにより、筒内圧が大気圧のまま圧縮行程が開始される。そして、下死点後の所定のタイミング(図中b′点)において吸気弁が閉じられて、この時点から実質的な圧縮行程が開始される。なお、これ以降は、吸気弁早閉じタイプと同様である。
【0013】
したがって、このような吸気弁遅閉じタイプのミラーサイクルエンジンも、上述した吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルエンジンと同様に、相対的に膨張行程が実質的な圧縮行程よりも大きくなり、これにより膨張比ε>幾何学的圧縮比ρとすることができる。
【0014】
【特許文献1】
特公平7−91984号公報
【特許文献2】
特許第3236654号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、ミラーサイクルエンジンでは排気量に対して吸気量が低下するため過給機により吸気を過給しているが、このような従来の技術では、以下のような課題があった。
すなわち、過給機には、一般にアクセルを踏み込んでから過給が行なわれるまでの間にタイムラグがある。このため加速過渡時においては過給圧が立ち上がるまでの間は吸気量が低下しており、この結果トルクが不足して加速不良が生じることとなる。また、ミラーサイクルにおいては圧縮比が小さいほど、また膨張比が大きいほど熱効率が高くなるが、圧縮比を小さくしすぎると、低中速域の過給圧が低い運転状態では吸気量が少なく出力低下を招くおそれがある。
【0016】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、加速過渡時や低中速域における吸気量を増大させて出力の低下を防止するようにした、高膨張比サイクルエンジンを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の本発明の高膨張比サイクルエンジンは、膨張比を圧縮比よりも大きく設定するとともに過給機を備えた高膨張比サイクルエンジンにおいて、加速過渡時判定手段によりエンジン運転状態が加速過渡時であると判定されると、吸入空気量が増大するようにまず過給圧変更手段の作動が制御される。そして、この過給圧変更手段の作動制御後においても、まだ吸入空気量が不足している場合には、次に吸入空気量が増大するように可変バルブタイミング機構の作動が制御される。つまり、加速過渡時に吸入空気量の不足を補う場合には優先的に過給圧変更手段を作動させて、過給圧を変更することで吸入空気量の増大を図り、また、それでも吸入空気量が不足している場合には、可変バルブタイミング機構を作動させて吸入空気量の不足を補う。したがって、加速過渡時にも十分な加速を得ることができ、ドライバビリティが向上する。また、可変バルブタイミング機構よりも過給圧変更手段を優先的に作動させて吸入空気量を増大させるので、極力高膨張比を維持でき熱効率の低下を防止できる。
【0018】
また、請求項2記載の本発明の高膨張比サイクルエンジンは、膨張比を圧縮比よりも大きく設定するとともに過給機を備えた高膨張比サイクルエンジンにおいて、運転速度領域判定手段によりエンジンの運転速度領域が低中速域であると判定されると、吸入空気量が増大するようにまず過給圧変更手段の作動が制御される。そして、この過給圧変更手段の作動制御後においても、まだ吸入空気量が不足している場合には、次に吸入空気量が増大するように可変バルブタイミング機構の作動が制御される。つまり、エンジン運転領域が低中速域のため吸入空気量の不足を補う場合には優先的に過給圧変更手段を作動させて、過給圧を変更することで吸入空気量の増大を図り、また、それでも吸入空気量が不足している場合には、可変バルブタイミング機構を作動させて吸入空気量の不足を補う。したがって、低中速域での運転時にも十分な加速を得ることができ、ドライバビリティが向上する。また、可変バルブタイミング機構よりも過給圧変更手段を優先的に作動させて吸入空気量を増大させるので、極力高膨張比を維持でき熱効率の低下を防止できる。
【0019】
なお、好ましくは、実吸入空気量検出手段により検出された実吸入空気量と目標吸入空気量設定手段で設定された目標吸入空気量を比較手段で比較し、実吸入空気量が目標吸入空気量以下であると吸入空気量が不足していると判定するように構成する。
さらに、好ましくは、過給機が可変ノズルベーン付きターボチャージャであって、ノズルベーンの開度を変更して過給圧を増加させることで吸気量を増大させるように構成する。また、ノズルベーンの開度変更量を最大としても吸入空気量が不足している場合に、吸入空気量が増大するように可変バルブタイミング機構を作動させる。
【0020】
また、エンジンが、吸気弁を吸気行程の途中で閉弁することにより膨張比を圧縮比よりも大きくするように構成された吸気弁早閉じタイプの高膨張比サイクルエンジンであって、可変バルブタイミング機構が吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより吸気量を増大させる。
また、エンジンが、吸気弁を圧縮行程の途中で閉弁することにより圧縮比よりも膨張比を大きくするように構成された吸気弁遅閉じタイプの高膨張比サイクルエンジンであって、可変バルブタイミング機構が吸気弁の閉弁時期を進角させることにより吸気量を増大させる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる高膨張比サイクルエンジンについて説明すると、図1に示すエンジン1は、膨張比を圧縮比よりも大きく設定した高膨張比サイクル(ミラーサイクル又はアトキンソンサイクル)を適用したエンジンであって、本実施形態では、従来技術の欄で説明した吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルが適用されている。
【0022】
また、このエンジン1は、シリンダ内に直接燃料を供給する、いわゆる筒内噴射型火花点火式エンジンであって、吸気行程での燃料噴射(吸気行程噴射)及び圧縮行程での燃料噴射(圧縮行程噴射)を切り換え可能に構成されている。
この筒内噴射型エンジン1は、理論空燃比(ストイキオ)での運転や過濃空燃比(リッチA/F)での運転(リッチ空燃比運転)や希薄空燃比(リーンA/F)での運転(リーン空燃比運転)が可能であり、種々のパラメータから得れる条件に応じて上述の複数の運転モードが切り換えられるようになっている。
【0023】
また、エンジン1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ(図示省略)及び燃料噴射弁6がそれぞれ配設され、また、各燃料噴射弁6には、図示しない燃料供給装置が接続されている。この燃料供給装置は、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとを有しており、燃料タンク内の燃料を低圧或いは高圧に加圧した後、燃料を燃料噴射弁6に供給するようになっている。
【0024】
シリンダヘッド2には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポート9が形成されており、各吸気ポート9の上端には吸気マニホールド10の一端がそれぞれ接続されている。また、図示するように、吸気マニホールド10には、吸入空気量を調節するドライブバイワイヤ式のスロットル弁(ETV)14、上記スロットル弁14の開度を検出するスロットルポジションセンサ(TPS)16及び吸入空気量を計測する実吸入空気量検出手段としての吸気量センサ(エアフローセンサ又はAFS)18が設けられている。
【0025】
ここで、ETV14はスロットルアクチュエータ14aをそなえており、このスロットルアクチュエータ14aによりスロットル開度が変更されるようになっている。また、スロットルアクチュエータ14aは、後述するECU(制御手段)40からの制御信号に基づきその作動が制御されるようになっており、通常はドライバのアクセルペダルの踏み込み量に応じたスロットル開度となるようにスロットルアクチュエータ14aの作動が制御されるようになっている。
【0026】
また、シリンダヘッド2には、各気筒毎に排気ポート11が形成され、この各排気ポート11に排気マニホールド12がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド12には排気エネルギにより吸気を加圧するターボチャージャ(過給機)13が設けられている。これは、従来技術の欄でも説明したように、ミラーサイクルエンジンでは排気量に対して吸気量が低下するためであり、ターボチャージャ13により吸気量の確保、即ち出力の確保を図っている。なお、図1では省略されているが吸気通路10上にはターボチャージャ13のコンプレッサが介装されている。また、本実施形態では、ターボチャージャ13は、タービンに付設されたノズルベーンの開度を変更することで過給圧を変更可能な、いわゆる可変ノズルベーン付きターボチャージャが適用されている。
ここで、可変ノズルベーン付きターボチャージャ13について説明すると、図3に示すように、タービン13aのタービンブレード13bの周囲には、複数のノズルベーン13cが等間隔に配設されている。各ノズルベーン13cは、いずれもタービン13aと同軸上に配設された環状リング13dに接続されており、この環状リング13dが図中矢印方向に回転すると、ノズルベーン13cの角度、即ち、開度が変更されるようになっている。
【0027】
また、環状リング13dには、アクチュエータ(過給圧変更手段)20が接続されている。ここで、アクチュエータ20は、制御室20a内へ供給されるエアの圧力に応じてその作動状態が制御されるような正圧式のアクチュエータであって、アクチュエータ20の作動状態に応じてノズルベーン13cの角度(開度)が段階的に調整されるようになっている。また、詳細は図示しないが、このアクチュエータ20は高圧のエア通路に接続されており、エア通路上には例えば電磁弁が設けられている。そして、電磁弁をデューティ制御することで、アクチュエータ20の作動が制御されるようになっている。
【0028】
なお、アクチュエータ20は、このような構成のものに限定されるものではなく、ノズルベーンの角度を連続的又は段階的に調整できるようなものであれば他の構成のものを適用してもよい。
一方、ECU40は、入出力装置,記憶装置(ROM,RAM,不揮発性RAM等),演算装置(CPU),タイマカウンタ等を備えて構成されており、このECU40により、エンジン1の総合的な制御が実行されるようになっている。
【0029】
ECU40の入力側には、上述したTPS16及びAFS18が接続されるとともに、エンジン回転数Neを検出するエンジン回転数センサ3及びドライバのアクセルペダル踏み込み量(即ち、エンジン負荷)Accを検出するアクセルポジションセンサ4も接続されている。さらには、図示しないO2 センサや吸気通路10内の圧力を検出する圧力センサ等も接続されている。
【0030】
また、ECU40の出力側には、上述の燃料噴射弁6,ETV(スロットル弁)14のアクチュエータ14a及びターボチャージャ13のアクチュエータ20等の各種の出力デバイスが接統されており、これら出力デバイスには、ECU40からの制御信号が入力されるようになっている。具体的には、ECU40では、各種センサ類からの情報に基づいて目標空燃比(A/F)や目標点火時期等が設定され、この目標空燃比や目標点火時期となるように燃料噴射弁6の駆動パルス幅やスロットルアクチュエータ14aの駆動量が設定されるようになっている。
【0031】
そして、これにより燃料噴射弁6から適正なタイミングで適正量の燃料が噴射され、点火プラグにより適正なタイミングで火花点火が実施され、適正なタイミングで適正な開度となるようETV14が開閉駆動されるようになっている。
次に、本発明の要部について説明すると、このエンジン1の吸気弁側の動弁機構には、吸気弁5の作動タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構可変(VVT)30が設けられている。このVVT30は、少なくとも吸気弁5の閉弁時期を変更可能に構成されたものであり、詳しくは後述するが、例えば図2(a),(b)に示すような公知のVVT30が適用されている。
【0032】
また、ECU40の内部には、エンジン1の運転状態に基づきエンジン1が加速過渡時であるか否かを判定する加速過渡時判定手段41及びエンジン1の運転速度領域を判定する運転速度領域判定手段42が設けられている。
ここで、加速過渡時判定手段41は、アクセルポジションセンサ4で検出されたアクセルペダル踏み込み量Acc及びその変化量ΔAccに基づき加速過渡時か否かを判定するようになっており、例えばアクセルペダル踏み込み量Accが所定値a以上で、且つアクセルペダル踏み込み変化量ΔAccが所定値b(≧0)以上であると、加速過渡時判定手段41では加速過渡時であると判定するようになっている。なお、加速過渡時か否かを判定する手法は上述のものに限定されず、例えばAFS18からの検出情報に基づくエンジン1の吸入空気量A/Nや吸気通路10内の圧力等のエンジン負荷に基づき判定するようにしてもよい。
【0033】
また、運転速度領域判定手段42は、エンジン回転数センサから3で検出されたエンジン回転数Neに基づき、エンジン1の運転速度領域を判定するようになっており、エンジン回転数が所定回転数Ne1未満であれば低中速域であると判定するとともに、上記所定回転数Ne1以上であれば高速域であると判定するようになっている。
【0034】
また、上述以外にも、ECU40には目標吸入空気量設定手段43,比較手段44及び過給圧設定手段45が設けられている。このうち目標吸入空気量設定手段43は、エンジン回転数Ne及びアクセルペダル踏み込み量(負荷)Acc等に基づいて、エンジン1の吸入空気量(以下、単に吸気量という)の目標値Vtを設定するものであって、例えば図示しないマップから目標値Vtが読み出されるようになっている。
【0035】
また、比較手段44は、上記目標吸入空気量設定手段43で設定された吸気量の目標値(目標吸気量)Vtと、AFS18で検出された実際の吸気量(実吸気量)Vrとを比較する手段であって、具体的には実吸気量Vrと目標吸気量Vtとの差ΔV(=Vr−Vt)を算出するものである。
また、過給圧設定手段45は、ターボチャージャ13の過給圧を設定するものであって、この過給圧設定手段45で設定された過給圧となるようにターボチャージャ13のアクチュエータ20の作動がフィードバック制御されるようなっている。
【0036】
特に、本実施形態においては、加速過渡時判定手段41によりエンジン1の運転状態が加速過渡時であると判定されるか、又は運転速度領域判定手段42によりエンジンが低中速域で運転されていると判定されると、エンジン1で不足する吸気量を補うべく、上記過給圧設定手段45により通常運転時よりも過給圧が大きく設定されるようになっている。
【0037】
具体的には、エンジン1が加速過渡時又は低中速域での運転状態であると判定されると、比較手段44では、目標吸入空気量設定手段43で設定された吸気量VtとAFS18で検出された実際の吸気量Vrとを比較して、実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であると判定すると(つまり、ΔV≦0であると)吸入空気量が不足していると判定して、現在のノズルベーン13cの角度が1段階増大するように、過給圧設定手段45からアクチュエータ20に対して制御信号が出力されるようになっている。
【0038】
これは、主に以下の理由による。つまり、上述したように、本実施形態における吸気弁早閉じタイプのミラーサイクルエンジンでは、吸気行程時にピストンが下死点に達するよりも大幅に早いタイミングで吸気弁5を閉じることにより吸気量を低減し、これにより膨張比ε>実際の圧縮比(幾何学的圧縮比)ρとしてミラーサイクルを実現している。
【0039】
そして、このように膨張比εを幾何学的圧縮比ρよりも大きくすることで、ポンプ損失を低減して熱効率の向上を図るとともに、低圧縮比化(例えば圧縮比ρ=9)によりノッキング(ノック)を回避している。ただし、このようなミラーサイクルでは、排気量に対して吸気量が低下するため、相対的に出力が低くなるため、上述のようにターボチャージャ13により吸気を過給して出力を確保している。
【0040】
しかし、ターボチャージャ13は、一般にアクセルを踏み込んでから過給が行なわれるまでの間にタイムラグが存在する。これは、クランク軸から駆動力を取り出して吸気を圧縮するいわゆるスーパチャージャでも同様である。このため、加速過渡時においては過給圧が立ち上がるまでの間は吸気量が不足し、加速不良が生じる。また、ミラーサイクルにおいては圧縮比が小さいほど、また膨張比が大きいほど熱効率が高くなるが、圧縮比を小さくしすぎると、低中速域の過給圧が低い運転状態では吸気量が少なく出力低下を招くおそれがある。
【0041】
そこで、上述したように、エンジン1の運転状態が加速過渡時である、又はエンジン1が低中速域で運転されていると判定されると、まず、目標吸気量Vtと実吸気量Vrとを比較して、実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達しているか否かを判定し、実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であれば、現在のノズルベーン13cの角度を1段階増大させて、過給圧を高めるようになっている。ここで、過給圧を高めるということは、すなわち吸気量を増大させることであって、このような吸気量の増大により、加速過渡時等における出力低下を抑制するようになっている。
【0042】
そして、その後このようなノズルベーン13cの開度変更後に再び比較手段44の算出結果を参照し、実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達していれば、ノズルベーン13cの開度を保持し、実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達していなければ、さらに1段階ノズルベーン13cの開度を増大させるようになっている。そして、このような制御を繰り返し、実吸気量Vrが目標吸気量Vtと一致するようにノズルベーン13cの開度制御(過給圧制御)を実行するようになっている。
【0043】
また、ノズルベーン13cの開度が最大値に達しても、まだ実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達しない場合には、VVT30を作動させて吸気弁5の閉弁時期を遅角させることにより、実質的に吸気行程を増大させて、不足する吸気量を補うようになっている。なお、吸気弁5の閉弁時期を遅角させる場合、閉弁時期は最大でも下死点近傍である。
【0044】
以上のように、本実施形態にかかる高膨張比エンジンでは、吸気量が不足するような運転状態(つまり、エンジン1の加速過渡時又は低中速域での運転時)になると、まずターボチャージャ13の過給圧を高めて吸気量の増大を図り、ターボチャージャ13の過給圧を最大にしても、なお吸気量が不足する場合には、VVT30を作動させることで吸気量の増大を図っている。なお、ターボチャージャ13の過給圧制御により吸気量の不足を解消できた場合には、当然ながらVVT30の作動制御は実行されない。
【0045】
次に、吸気量の増大を図る場合に、ターボチャージャ13の過給圧制御を優先的に実行し、その後VVT30の作動制御を実行する理由について説明する。
上述したように、本発明が適用されるようなミラーサイクル(高膨張比サイクル)エンジンでは、膨張比εを幾何学的圧縮比ρよりも相対的に大きくすることで、ポンプ損失を低減して熱効率の向上を図っている。具体的には、吸気弁5の閉弁時期を極力下死点から遠ざけて実質的な吸気行程を低減し、これにより、幾何学的圧縮比ρを膨張比εよりも低減させている。
【0046】
したがって、吸気量が不足した場合にVVT30を作動させて吸気弁5の閉弁時期を下死点近傍まで遅角させると、吸気量の増大を図ることはできるものの、この間はオットーサイクルに近いサイクルとなり、ミラーサイクルの本来の利点が失われてしまう。つまり、この場合には、ミラーサイクルに対して相対的にポンプ損失が増大し、熱効率も低下してしまう。
【0047】
これに対して、ターボチャージャ13はそもそも排気エネルギを2次的に利用して出力増大を図るものであり、過給圧制御を実行しても、ポンプ損失が増加したり熱効率が低下したりするような問題が生じない。
そこで、本実施形態にかかる高膨張比エンジンでは、エンジン1の加速過渡時や低中速域での運転時等の吸気量が不足するような運転状態では、まず、積極的にターボチャージャ13の過給圧を制御して吸気量の増大を図り、それでも吸気量が不足する場合にはVVT30を作動させることで吸気量の増大を図るようにしているのである。
【0048】
次に、VVT30の構成の一例について図2(a),(b)を用いて簡単に説明すると、VVT30は、カムシャフト31上に形成されてクランクシャフトの回転に対応して回動するカム32a,32bと、これらのカム32a,32bによって駆動されるロッカアーム33a,33bとをそなえている。これらのロッカアーム33a,33bはともに吸気弁5,5には当接せず、吸気弁5,5の開閉駆動に間接的に係わるサブロッカアームとして構成されている。また、これらのサブロッカアーム33a,33bの間には、吸気弁5,5のステム端部に当接し吸気弁5,5の開閉駆動に直接係わるメインロッカアーム33cが設けられている。
【0049】
また、一方のカム32aは、吸気早閉じのミラーサイクルに適したカムプロフィルをそなえており、他方のカム32bは、上記一方のカム32aよりも閉弁時期を遅角させるようなカムプロファイルをそなえている。
ここで、メインロッカアーム33cはロッカシャフト34と一体に形成され、ロッカシャフト34とともに揺動可能に構成されている。そして、このメインロッカアーム33cの先端部が吸気弁5,5のステム上端部に当接している。
【0050】
また、2つのサブロッカアーム33a,33bは、いずれもロッカシャフト34(つまり、メインロッカアーム33c)に対して相対回転可能に軸支されている。
また、図2(b)に示すように、これらのサブロッカアーム33a,33bとロッカシャフト34との間には、サブロッカアーム33a,33bがロッカシャフト34に対して回転自在であってメインロッカアーム33cと連係動作しないモード(非連係モード)と、サブロッカアーム33a,33bがロッカシャフト34と一体回転してメインロッカアーム33cと連係動作するモード(連係モード)とを切り換えうる油圧ピストン機構36a,36bが設けられている。
【0051】
また、ロッカシャフト34の内部には油路34a,34bが形成されており、この油路34a,34bから供給,排出される作動油により、油圧ピストン機構36a,36bの作動が切り換えられるようになっている。例えば、油路34a,34bから各ピストン機構36a,36bへ作動油が供給されると、ピストン機構36aではピストン37aが基端側へ駆動され、ピストン37aの先端部が穴38aから離脱するようになっており、一方、ピストン機構36bではピストン37bが先端部側へ駆動され、ピストン37bの先端部が穴38bに嵌入するようになっている。
【0052】
そして、ピストン37bの穴38bへの嵌入により、サブロッカアーム33bがロッカシャフト34と一体回転してメインロッカアーム33cと連係動作するモード(連係モード)となり、ピストン37aが穴38aから離脱することにより、サブロッカアーム33aがロッカシャフト34に対して回転自在であってメインロッカアーム33cと連係動作しないモード(非連係モード)となるようになっている。
【0053】
また、上述の作動油の供給状態は、ECU40により制御されるようになっており、これによりサブロッカアーム33b,33aの連係モードと非連係モードとを適宜切り換えて、吸気弁5の閉弁時期を変更することができる。
本発明の一実施形態に係る高膨張比サイクルエンジンは上述のように構成されているので、エンジン回転数センサ3やアクセルポジションセンサ4からの情報に基づいて、ECU40によりエンジン1が加速過渡時ではなく且つ高速域で運転されている状態においては、サブロッカアーム33aがメインロッカアーム33cと連係動作するモードに切り換えられる。
【0054】
したがって、この場合には、吸気弁5は、吸気早閉じのミラーサイクルに適したカムプロフィルをそなえたカム32aにより開閉駆動されることになる。具体的には、ピストンが上死点から下降して吸気行程が開始されると、吸気弁が開いて吸気弁から吸気が取り込まれる。そして、下死点(BDC)手前の所定のタイミング(図6のb点参照)において吸気弁5が閉じられ、これにより実質的な吸気行程が終了する。
【0055】
そして、このように吸気弁5をピストンが下死点に達するよりも大幅に早いタイミングで閉じることにより吸気量が低減され、これにより圧縮比の低下が図られる。また、膨張行程は従来通りピストンの上死点から下死点までであるので、相対的に膨張行程が実質的な圧縮行程よりも大きくなり、これにより膨張比ε>幾何学的圧縮比ρとなり、ポンプ損失を低減して熱効率の向上が図られる。また、低圧縮比化(例えば圧縮比ρ=9)によりノッキング(ノック)を回避することができる。
【0056】
一方、エンジン回転数センサ3やアクセルポジションセンサ4からの情報に基づいてエンジン1が加速過渡時である、又は低中速域で運転されているとECU40で判定されると、目標吸入空気量設定手段43で設定された吸気量の目標値(目標吸気量)Vtと、AFS18で検出された実際の吸気量(実吸気量)Vrとが比較手段44により比較される。そして、この結果、実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であると判定されると、過給圧設定手段45によりターボチャージャ13の過給圧制御が実行される。
【0057】
つまり、この場合には吸気量を増大させるべく、ターボチャージャ13の可変ノズルベーン13cの開度が1段階増大するように、過給圧設定手段45からアクチュエータ20に対して制御信号が出力される。そして、その後再び比較手段44により実吸気量Vrと目標吸気量Vtとが比較されて、いまだ実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であれば、さらに1段階ノズルベーン13cの開度を増大させて実吸気量Vrの増大が図られる。そして、このような制御を繰り返し、実吸気量Vrと目標吸気量Vtとが一致するようにノズルベーン13cの開度制御が実行される。
【0058】
そして、ノズルベーン13cの開度が最大値となっても実吸気量Vrが目標吸気量Vtに満たない場合には、VVT30を作動させる。具体的には、上記のサブロッカアーム33aとメインロッカアーム33cとの連係動作が解除されるとともに、もう一方のサブロッカアーム33bがメインロッカアーム33cと連係動作するモードに切り換えられる。
【0059】
したがって、この場合には、吸気弁5は吸気早閉じのミラーサイクルよりも閉弁時期が遅角側に設定されたカム32bにより開閉駆動される。つまり、この場合には、ピストンが上死点から下降して吸気行程が開始されると、吸気弁が開き、下死点(BDC)手前の所定のタイミング(図6のb点参照)を過ぎても吸気弁5は開弁状態に保持される。そして、下死点近傍において吸気弁5が閉じられ、閉弁時期が遅角された分だけシリンダ内に多くの吸気が流入する。
【0060】
これにより、低中速域での運転時や加速過渡時において不足する吸気を確保でき出力トルクの低下を防止することができる。
以下、図4のフローチャートに基づいて本発明の作用について説明すると、まず、ステップS1において、各センサからの情報が取り込まれる。具体的にはエンジン回転数センサ3及びアクセルポジションセンサ4から、それぞれエンジン回転数Ne及びアクセル開度Accが取り込まれる。
【0061】
次に、ステップS2おいて、エンジン回転数Ne及びアクセル開度Accに基づき、エンジン1の運転領域が低中速域か、又はエンジン1が加速過渡時であるか否かが判定される。そして、エンジン1が低中速域で運転されている場合、又は、加速過渡時である場合には、ステップS3に進み、そうでない場合にはリターンする。
【0062】
ここで、ステップS3に進んだ場合、つまりエンジン1が低中速域で運転されている又は加速過渡時である場合には、吸気量が低下していることが考えられるので、AFS18で検出された実吸気量Vrと目標吸入空気量設定手段43で設定された目標吸気量Vtとを比較して、実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であるか否かが判定される。
【0063】
そして、ステップS3において実吸気量Vrが目標吸気量Vt以下であると判定されると、次にステップS4に進み、過給圧を高めるべくターボチャージャ13の可変ノズルベーン13cの角度が1段階増大される。そして、このようにして過給圧を高めることで吸気量の増大が図られる。
その後、ステップS5に進み、再び実吸気量Vrと目標吸気量Vtとが比較されて、実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達しているとリターンし、実吸気量Vrが目標吸気量Vtに達していないければステップS6に進む。そして、ステップS6において、ノズルベーン13cの開度が最大となっているか否かが判定され、最大開度となっていなければステップS4に戻って、再びステップS4及びステップS5の処理が繰り返される。
【0064】
また、ステップS6において、ノズルベーン13cの開度が最大であると判定されると、これ以上はターボチャージャ13で吸気量の増大を図ることができない限界の状態となる。そこで、この場合にはステップS7に進んで、吸気量の増大を図るべく吸気弁5の閉弁タイミングがVVT30により下死点側に変更される。
【0065】
したがって、本発明の一実施形態に係る高膨張比サイクルエンジンによれば、加速過渡時における過給圧が立ち上がるまでの間の吸気量が少ない場合には、吸気量が増大するように、ターボチャージャ13及びVVT30の作動が制御されるので、高圧縮比化が図られて、燃焼量の低下による出力トルク不足が解消されるとともに十分な加速を得ることができる。また、低中速域では過給圧が低くやはり吸気量が不足気味となるが、上述と同様に吸気量が増大するようにターボチャージャ13及びVVT30の作動が制御されることにより、燃焼量の低下による出力トルク不足を解消でき、ドライバビリティが向上するという利点がある。また、既に実用化されている可変ノズルベーン式ターボチャージャや可変バルブタイミング機構の技術を適用することができるので、機械的な信頼度も高いという利点がある。
【0066】
また、上述したように、吸気量の増大を図る場合にVVT30の作動制御よりもターボチャージャ13の過給圧制御を優先的に実行し、その後VVT30の作動制御を実行するので、極力高膨張比を維持でき熱効率の低下を極力抑制することができる。したがって、燃費の向上とドラバビリティの向上とを両立させることができるという利点がある。
【0067】
なお、本発明は上述の実施形態のものに限定されるものではない。例えば上述の実施形態では、吸気早閉じタイプのミラーサイクルを適用した場合について説明したが、吸気遅閉じタイプのミラーサイクル(図7の指圧線図参照)に本発明を適用してもよい。この場合には、エンジンの加速過渡時又は低中速域での運転が判定されると、吸気量が増大するように吸気弁5の閉弁時期を進角するように制御すればよい。
【0068】
また、VVT(可変バルブタイミング機構)についても上述のようなロッカアーム切り換え式のものに限定されるものではなく、吸気弁5の閉弁時期を変更可能であれば他の種々の機構を適用可能である。例えば可変バルブタイミング機構として、図5に示すような電磁コイル5a,5bの駆動力により開閉タイミング及びリフト量を任意に設定できるようにした電磁式吸気弁を適用しても良い。
【0069】
また、本発明が適用されるエンジンは上述のような筒内噴射型火花点火式エンジンに限定されず、ポート噴射式のエンジンにも適用可能であるのは言うまでもない。
また、上述の実施形態では、AFS(エアフローセンサ)からの情報を用いて吸入空気量が目標吸入空気量となっているか否かを判定したが、ターボチャージャの下流側に圧力センサ(ブースト圧センサ)を設け、この圧力センサで得られるブースト圧に基づいて実吸入空気圧が目標吸入空気圧より大きいか否かを判定し、これにより吸入空気量が目標値以下か否かを判定するようにしていもよい。
【0070】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の高膨張比サイクルエンジンによれば、加速過渡時における過給圧が立ち上がるまでの間の吸気量が少ない場合には、吸気量が増大するように過給機による吸気の過給圧や吸気弁の閉弁時期が制御されるので、燃焼量の低下による出力トルク不足を防止できる。これにより、加速過渡時にも十分な加速を得られ、ドライバビリティが向上する。また、既に実用化されている過給機と可変バルブタイミング機構との技術を適用することができるので、機械的な信頼度も高いという利点がある。また、可変バルブタイミング機構よりも過給圧変更手段を優先的に作動させて吸入空気量を増大させるので、極力高膨張比を維持することができ熱効率の低下を防止できる。したがって、燃費の向上とドラバビリティの向上とを両立させることができるという利点がある(請求項1,5,6)。
【0071】
また、本発明の高膨張比サイクルエンジンによれば、低中速域の過給圧が低くなる運転領域において、吸気量が増大するように吸気弁の閉弁時期が制御されるので、燃焼量の低下による出力トルク不足を解消でき、ドライバビリティが向上する。また、既に実用化されている過給機と可変バルブタイミング機構との技術を適用することができるので、機械的な信頼度も高いという利点がある。また、可変バルブタイミング機構よりも過給圧変更手段を優先的に作動させて吸入空気量を増大させるので、極力高膨張比を維持することができ熱効率の低下を防止できる。したがって、燃費の向上とドラバビリティの向上とを両立させることができるという利点がある(請求項2,5,6)。
また、本発明の高膨張比サイクルエンジンによれば、ノズルベーンの開度を変更させることにより容易に吸入空気量を変更することができるという利点がある(請求項3,4)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態にかかる高膨張比サイクルエンジンの全体構成を示す模式図である。
【図2】(a),(b)はともに本発明の第一実施形態にかかる高膨張比サイクルエンジンに適用される可変バルブタイミング機構の一例について説明するための模式的な断面図である。
【図3】本発明の第一実施形態にかかる高膨張比サイクルエンジンの要部構成を示す模式図である。
【図4】本発明の第一実施形態にかかる高膨張比サイクルエンジンの作用について説明するフローチャートである。
【図5】本発明に適用される可変バルブタイミング機構の他の例について説明するための模式図である。
【図6】従来の高膨張比サイクルエンジンの一例について説明する指圧線図である。
【図7】従来の高膨張比サイクルエンジンの他の例について説明する指圧線図である。
【符号の説明】
1 エンジン
5 吸気弁
13 ターボチャージャ(過給機)
14 ETV(ドライブバイワイヤ式スロット弁)
18 エアフローセンサ又はAFS(実吸入空気量検出手段)
20 アクチュエータ(過給圧変更手段)
30 VVT(可変バルブタイミング機構)
40 ECU(制御手段)
41 加速過渡時判定手段
42 運転速度領域判定手段
43 目標吸入空気量設定手段
44 比較手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high expansion ratio cycle engine in which an expansion ratio is set larger than a compression ratio.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Otto-cycle gasoline engines having four strokes (intake, compression, expansion, and exhaust) have been widely used as driving sources for vehicles such as automobiles. In such a gasoline engine, the thermal efficiency is improved by various improvements and devices, but there is a demand for further improving the thermal efficiency.
[0003]
In order to improve thermal efficiency, it is known that the expansion ratio can be increased by extending the stroke when the engine is expanded. However, in the Otto cycle, the piston stroke is the same in each stroke, and the expansion ratio and compression are the same. The ratio is equal. For this reason, when the expansion ratio is increased, the compression ratio is also increased, and the air-fuel mixture is ignited early in the combustion chamber due to the heat generated by the compression, and knocking is likely to occur. Therefore, even if the expansion ratio (= compression ratio) is greatly increased in order to improve the thermal efficiency, the limit is low, and it is difficult to substantially increase the expansion ratio.
[0004]
Therefore, conventionally, the intake amount is limited by greatly advancing the closing timing of the intake valve or delaying the closing timing of the intake valve substantially, and the expansion ratio is substantially reduced by the compression ratio. An engine with a high expansion ratio cycle (hereinafter also referred to as Miller cycle or Atkinson cycle), which is set to be larger than that, has been put into practical use. Moreover, as a technique regarding such a mirror cycle engine, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose the technique.
[0005]
Hereinafter, an engine to which such a mirror cycle is applied will be briefly described with reference to the acupressure diagrams of FIGS. Among these, FIG. 6 is a finger pressure diagram of a so-called intake valve early closing type mirror cycle engine that closes the intake valve at an earlier timing than the piston reaches bottom dead center, and FIG. 7 shows that the piston has reached bottom dead center. It is a shiatsu diagram of a so-called intake valve slow closing type Miller cycle engine which closes an intake valve at a later timing.
[0006]
First, the operation of the intake cycle early closing type mirror cycle engine will be described with reference to FIG. 6. When the piston descends from the top dead center (TDC: point a in the figure) and the intake stroke starts, the in-cylinder pressure becomes Intake (or mixture) is taken in from the intake valve while maintaining substantially atmospheric pressure. Then, the intake valve is closed at a predetermined timing (point b in the figure) before the bottom dead center (BDC), thereby completing the substantial intake stroke.
[0007]
Thereafter, the in-cylinder pressure decreases as the piston descends, and the intake stroke ends when the piston reaches bottom dead center (point c in the figure). Then, when the piston reverses upward, the intake stroke shifts to the compression stroke, and the in-cylinder pressure gradually increases as the piston rises. When the piston further rises and the in-cylinder pressure becomes higher than the pressure at the point b (point d in the figure), the substantial compression between the piston stroke position and the top dead center (point e in the figure) at this time The intake air is compressed in the stroke.
[0008]
When the piston reaches the top dead center, the compression stroke ends and the expansion stroke starts. That is, the air-fuel mixture is ignited and combusted in the vicinity of the top dead center of the piston, and the in-cylinder pressure suddenly rises due to the combustion pressure and the piston turns downward (point f in the figure). Then, when the piston reaches the bottom dead center (g point in the figure), it shifts from the expansion stroke to the exhaust stroke, and the combustion gas is discharged at a substantially atmospheric pressure. Further, when the piston reaches top dead center (point a in the figure), a series of mirror cycles is completed, and the intake stroke is started again.
[0009]
In such a mirror cycle of the intake valve early closing type, the intake amount is reduced by closing the intake valve at a timing (point b in the figure) much earlier than the piston reaches the bottom dead center. The compression ratio is greatly reduced.
In addition, since the expansion stroke is from the top dead center to the bottom dead center of the piston as in the past, the expansion stroke is relatively larger than the substantial compression stroke, and thus the expansion ratio ε> the actual compression ratio ρ. be able to. Hereinafter, the actual compression ratio is also referred to as a geometric compression ratio.
[0010]
Thus, by making the expansion ratio ε larger than the geometric compression ratio ρ, it is possible to reduce pump loss (pumping loss) and improve thermal efficiency. Further, knocking (knocking) can be avoided by reducing the compression ratio (for example, compression ratio ρ = 9, ε = 14). However, in such a mirror cycle, the intake amount decreases with respect to the exhaust amount, so the output becomes relatively low. Therefore, conventionally, the intake air is supercharged by a supercharger to ensure output.
[0011]
Such a mirror cycle engine can be realized only by changing the shape of the intake cam as compared with a general Otto cycle engine.
In addition, the intake valve slow closing type mirror cycle shown in FIG. 7 also operates in the same manner as the intake valve early closing type described above except that the intake valve closing timing is different. That is, when the piston descends from top dead center (point a in the figure) and the intake stroke is started, intake (or mixture) is taken in from the intake valve while the in-cylinder pressure is maintained at substantially atmospheric pressure.
[0012]
Even after the piston reaches the bottom dead center (point c in the figure), the state in which the intake valve is opened is maintained, whereby the compression stroke is started while the in-cylinder pressure remains at atmospheric pressure. The intake valve is closed at a predetermined timing after the bottom dead center (point b ′ in the figure), and a substantial compression stroke is started from this point. The subsequent steps are the same as those of the intake valve early closing type.
[0013]
Therefore, like the above-described intake valve early closing type Miller cycle engine, the intake stroke late closing type Miller cycle engine also has a relatively larger expansion stroke than the substantial compression stroke, thereby causing the expansion. Ratio ε> geometric compression ratio ρ.
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-91984
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3236654
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the Miller cycle engine, the intake air is supercharged by the supercharger because the intake air amount decreases with respect to the exhaust gas amount. However, such conventional technology has the following problems. It was.
That is, the turbocharger generally has a time lag between the time the accelerator is depressed and the turbocharging is performed. For this reason, during the acceleration transition, the intake air amount decreases until the boost pressure rises. As a result, the torque becomes insufficient and an acceleration failure occurs. In the Miller cycle, the lower the compression ratio and the higher the expansion ratio, the higher the thermal efficiency. However, if the compression ratio is too low, the intake air amount is low and the output is low when the supercharging pressure in the low / medium speed range is low. There is a risk of lowering.
[0016]
The present invention was devised in view of such a problem, and provides a high expansion ratio cycle engine that prevents an output decrease by increasing the intake air amount during acceleration transients and at low and medium speed ranges. With the goal.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the high expansion ratio cycle engine according to the first aspect of the present invention is a high expansion ratio cycle engine in which the expansion ratio is set larger than the compression ratio and the turbocharger is provided. If it is determined that the state is an acceleration transient, the operation of the supercharging pressure changing means is first controlled so that the intake air amount increases. Then, even after the operation control of the supercharging pressure changing means, if the intake air amount is still insufficient, the operation of the variable valve timing mechanism is controlled so that the intake air amount next increases. In other words, when the shortage of intake air is compensated for during acceleration transients, the boost pressure change means is preferentially operated and the boost pressure is changed to increase the intake air amount. If the air intake is insufficient, the variable valve timing mechanism is operated to compensate for the shortage of the intake air amount. Therefore, sufficient acceleration can be obtained even during acceleration transition, and drivability is improved. Further, since the supercharging pressure changing means is preferentially operated over the variable valve timing mechanism to increase the intake air amount, a high expansion ratio can be maintained as much as possible, and a decrease in thermal efficiency can be prevented.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, the high expansion ratio cycle engine of the present invention is a high expansion ratio cycle engine in which the expansion ratio is set larger than the compression ratio and the supercharger is provided. When it is determined that the speed region is the low / medium speed region, the operation of the supercharging pressure changing means is first controlled so that the intake air amount increases. Then, even after the operation control of the supercharging pressure changing means, if the intake air amount is still insufficient, the operation of the variable valve timing mechanism is controlled so that the intake air amount next increases. In other words, when the engine operating range is low and medium speed range, when the shortage of intake air amount is compensated, the boost pressure change means is preferentially operated to increase the intake air amount by changing the boost pressure. If the intake air amount is still insufficient, the variable valve timing mechanism is operated to compensate for the shortage of intake air amount. Therefore, sufficient acceleration can be obtained even during operation in the low and medium speed ranges, and drivability is improved. Further, since the supercharging pressure changing means is preferentially operated over the variable valve timing mechanism to increase the intake air amount, a high expansion ratio can be maintained as much as possible, and a decrease in thermal efficiency can be prevented.
[0019]
Preferably, the actual intake air amount detected by the actual intake air amount detection means and the target intake air amount set by the target intake air amount setting means are compared by the comparison means, and the actual intake air amount is the target intake air amount. It is configured to determine that the intake air amount is insufficient if the following is true.
Further, preferably, the supercharger is a turbocharger with a variable nozzle vane, and the intake air amount is increased by changing the opening degree of the nozzle vane to increase the supercharging pressure. Further, the variable valve timing mechanism is operated so that the intake air amount increases when the intake air amount is insufficient even when the opening degree change amount of the nozzle vane is maximized.
[0020]
The engine is a high expansion ratio cycle engine of an intake valve early closing type in which the expansion ratio is made larger than the compression ratio by closing the intake valve in the middle of the intake stroke, and the variable valve timing The mechanism increases the intake amount by retarding the closing timing of the intake valve.
The engine is an intake valve slow closing type high expansion ratio cycle engine configured to make the expansion ratio larger than the compression ratio by closing the intake valve in the middle of the compression stroke, and the variable valve timing The mechanism increases the intake amount by advancing the closing timing of the intake valve.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a high expansion ratio cycle engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The engine 1 shown in FIG. 1 has a high expansion ratio cycle (Miller cycle or Atkinson cycle) in which the expansion ratio is set larger than the compression ratio. In this embodiment, the intake valve early closing type mirror cycle described in the section of the prior art is applied.
[0022]
The engine 1 is a so-called in-cylinder injection type spark ignition engine that supplies fuel directly into a cylinder, and includes fuel injection in an intake stroke (intake stroke injection) and fuel injection in a compression stroke (compression stroke). (Injection) can be switched.
This in-cylinder injection engine 1 is operated at a stoichiometric air fuel ratio (stoichio), an operation at a rich air fuel ratio (rich A / F) (rich air fuel ratio operation), or a lean air fuel ratio (lean A / F). Operation (lean air-fuel ratio operation) is possible, and the above-mentioned plurality of operation modes are switched according to conditions obtained from various parameters.
[0023]
The cylinder head 2 of the engine 1 is provided with a spark plug (not shown) and a fuel injection valve 6 for each cylinder, and a fuel supply device (not shown) is connected to each fuel injection valve 6. ing. This fuel supply apparatus has a low-pressure fuel pump and a high-pressure fuel pump. After the fuel in the fuel tank is pressurized to a low pressure or a high pressure, the fuel is supplied to the fuel injection valve 6.
[0024]
An intake port 9 is formed in the cylinder head 2 in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of an intake manifold 10 is connected to the upper end of each intake port 9. As shown in the figure, the intake manifold 10 includes a drive-by-wire throttle valve (ETV) 14 that adjusts the amount of intake air, a throttle position sensor (TPS) 16 that detects the opening of the throttle valve 14, and intake air. An intake air amount sensor (air flow sensor or AFS) 18 is provided as actual intake air amount detection means for measuring the amount.
[0025]
Here, the ETV 14 includes a throttle actuator 14a, and the throttle opening is changed by the throttle actuator 14a. The operation of the throttle actuator 14a is controlled based on a control signal from an ECU (control means) 40, which will be described later, and usually has a throttle opening corresponding to the depression amount of the accelerator pedal of the driver. Thus, the operation of the throttle actuator 14a is controlled.
[0026]
The cylinder head 2 has an exhaust port 11 for each cylinder, and an exhaust manifold 12 is connected to each exhaust port 11. The exhaust manifold 12 is provided with a turbocharger (supercharger) 13 that pressurizes intake air by exhaust energy. As described in the section of the prior art, this is because the intake amount of the Miller cycle engine decreases with respect to the exhaust amount. The turbocharger 13 secures the intake amount, that is, the output. Although omitted in FIG. 1, a compressor of a turbocharger 13 is interposed on the intake passage 10. In this embodiment, the turbocharger 13 is a so-called variable nozzle vane turbocharger that can change the supercharging pressure by changing the opening of a nozzle vane attached to the turbine.
Here, the turbocharger 13 with variable nozzle vanes will be described. As shown in FIG. 3, a plurality of nozzle vanes 13c are arranged at equal intervals around the turbine blade 13b of the turbine 13a. Each nozzle vane 13c is connected to an annular ring 13d disposed coaxially with the turbine 13a. When this annular ring 13d rotates in the direction of the arrow in the figure, the angle of the nozzle vane 13c, that is, the opening degree is changed. It has come to be.
[0027]
An actuator (supercharging pressure changing means) 20 is connected to the annular ring 13d. Here, the actuator 20 is a positive pressure type actuator whose operation state is controlled according to the pressure of the air supplied into the control chamber 20 a, and the angle of the nozzle vane 13 c according to the operation state of the actuator 20. The (opening degree) is adjusted stepwise. Although not shown in detail, the actuator 20 is connected to a high-pressure air passage, and a solenoid valve, for example, is provided on the air passage. The operation of the actuator 20 is controlled by duty-controlling the solenoid valve.
[0028]
The actuator 20 is not limited to such a configuration, and any other configuration may be applied as long as the angle of the nozzle vane can be adjusted continuously or stepwise.
On the other hand, the ECU 40 includes an input / output device, a storage device (ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc.), a calculation device (CPU), a timer counter, and the like. Is to be executed.
[0029]
The TPS 16 and AFS 18 are connected to the input side of the ECU 40, and the engine speed sensor 3 for detecting the engine speed Ne and the accelerator position sensor for detecting the accelerator pedal depression amount (that is, engine load) Acc of the driver. 4 is also connected. Further, O (not shown) 2 A sensor and a pressure sensor for detecting the pressure in the intake passage 10 are also connected.
[0030]
Various output devices such as the above-described fuel injection valve 6, actuator 14a of the ETV (throttle valve) 14, and actuator 20 of the turbocharger 13 are connected to the output side of the ECU 40. A control signal from the ECU 40 is input. Specifically, in the ECU 40, a target air-fuel ratio (A / F), a target ignition timing, and the like are set based on information from various sensors, and the fuel injection valve 6 is set so as to be the target air-fuel ratio and the target ignition timing. The drive pulse width and the drive amount of the throttle actuator 14a are set.
[0031]
As a result, an appropriate amount of fuel is injected from the fuel injection valve 6 at an appropriate timing, spark ignition is performed at an appropriate timing by the spark plug, and the ETV 14 is driven to open and close at an appropriate opening at an appropriate timing. It has become so.
Next, the main part of the present invention will be described. The valve mechanism on the intake valve side of the engine 1 is provided with a variable valve timing mechanism variable (VVT) 30 capable of changing the operation timing of the intake valve 5. . The VVT 30 is configured so that at least the closing timing of the intake valve 5 can be changed. As will be described in detail later, for example, a known VVT 30 as shown in FIGS. 2A and 2B is applied. Yes.
[0032]
Further, in the ECU 40, acceleration transient determination means 41 for determining whether or not the engine 1 is in acceleration transient based on the operation state of the engine 1 and an operation speed area determination means for determining the operation speed area of the engine 1 42 is provided.
Here, the acceleration transient determination means 41 determines whether or not it is during acceleration transient based on the accelerator pedal depression amount Acc detected by the accelerator position sensor 4 and its change amount ΔAcc. When the amount Acc is equal to or greater than the predetermined value a and the accelerator pedal depression amount ΔAcc is equal to or greater than the predetermined value b (≧ 0), the acceleration transient determination means 41 determines that the acceleration is transient. Note that the method for determining whether or not the vehicle is in an acceleration transition is not limited to the above-described method. For example, the engine load such as the intake air amount A / N of the engine 1 or the pressure in the intake passage 10 based on the detection information from the AFS 18 You may make it determine based on.
[0033]
Further, the operating speed region determining means 42 determines the operating speed region of the engine 1 based on the engine speed Ne detected by the engine speed sensor 3 and the engine speed is a predetermined speed Ne1. If it is less than this, it is determined that the vehicle is in the low / medium speed region, and if it is greater than or equal to the predetermined rotation speed Ne1, it is determined that it is in the high speed region.
[0034]
In addition to the above, the ECU 40 is provided with target intake air amount setting means 43, comparison means 44, and supercharging pressure setting means 45. Among these, the target intake air amount setting means 43 sets a target value Vt of the intake air amount of the engine 1 (hereinafter simply referred to as the intake amount) based on the engine speed Ne, the accelerator pedal depression amount (load) Acc, and the like. For example, the target value Vt is read from a map (not shown).
[0035]
The comparison unit 44 compares the target value (target intake air amount) Vt of the intake air amount set by the target intake air amount setting unit 43 with the actual intake air amount (actual intake air amount) Vr detected by the AFS 18. More specifically, a difference ΔV (= Vr−Vt) between the actual intake air amount Vr and the target intake air amount Vt is calculated.
The supercharging pressure setting means 45 sets the supercharging pressure of the turbocharger 13, and the supercharging pressure of the actuator 20 of the turbocharger 13 is set so as to be the supercharging pressure set by the supercharging pressure setting means 45. The operation is feedback controlled.
[0036]
In particular, in the present embodiment, it is determined that the operating state of the engine 1 is the acceleration transient state by the acceleration transient determining unit 41 or the engine is operated in the low / medium speed region by the operating speed region determining unit 42. If it is determined that the engine 1 is present, the supercharging pressure is set to be larger than that during normal operation by the supercharging pressure setting means 45 in order to compensate for the intake air amount deficient in the engine 1.
[0037]
Specifically, when it is determined that the engine 1 is in an acceleration transition state or in an operating state in the low / medium speed region, the comparison unit 44 uses the intake air amount Vt set by the target intake air amount setting unit 43 and the AFS 18. When the actual intake air amount Vr is compared with the detected actual intake air amount Vr and it is determined that the actual intake air amount Vr is equal to or smaller than the target intake air amount Vt (that is, when ΔV ≦ 0), it is determined that the intake air amount is insufficient. Thus, a control signal is output from the supercharging pressure setting means 45 to the actuator 20 so that the current angle of the nozzle vane 13c increases by one step.
[0038]
This is mainly due to the following reasons. That is, as described above, in the intake cycle early closing type mirror cycle engine in the present embodiment, the intake amount is reduced by closing the intake valve 5 at a timing much earlier than the piston reaches the bottom dead center during the intake stroke. Thus, the mirror cycle is realized by the expansion ratio ε> the actual compression ratio (geometric compression ratio) ρ.
[0039]
And by making the expansion ratio ε larger than the geometric compression ratio ρ in this way, the pump loss is reduced to improve the thermal efficiency, and knocking (for example, the compression ratio ρ = 9) is knocked ( Knock) is avoided. However, in such a mirror cycle, since the intake air amount decreases with respect to the exhaust gas amount, the output becomes relatively low. Therefore, as described above, the turbocharger 13 supercharges the intake air to ensure the output. .
[0040]
However, the turbocharger 13 generally has a time lag between when the accelerator is depressed and when supercharging is performed. The same applies to a so-called supercharger that extracts driving force from the crankshaft and compresses intake air. For this reason, during the acceleration transition, the intake air amount is insufficient until the boost pressure rises, resulting in acceleration failure. In the Miller cycle, the lower the compression ratio and the higher the expansion ratio, the higher the thermal efficiency. However, if the compression ratio is too low, the intake air amount is low and the output is low when the supercharging pressure in the low and medium speed ranges is low. There is a risk of lowering.
[0041]
Therefore, as described above, when it is determined that the operating state of the engine 1 is in an acceleration transient state or the engine 1 is operating in the low / medium speed range, first, the target intake air amount Vt and the actual intake air amount Vr are determined. Are compared to determine whether or not the actual intake air amount Vr has reached the target intake air amount Vt. If the actual intake air amount Vr is less than or equal to the target intake air amount Vt, the angle of the current nozzle vane 13c is increased by one step. The boost pressure is increased. Here, increasing the supercharging pressure means increasing the intake air amount, and the increase in the intake air amount suppresses a decrease in output during acceleration transient or the like.
[0042]
After that, after the opening degree of the nozzle vane 13c is changed, the calculation result of the comparison unit 44 is referred to again. If the actual intake air amount Vr reaches the target intake air amount Vt, the opening degree of the nozzle vane 13c is maintained and the actual intake air is obtained. If the amount Vr does not reach the target intake air amount Vt, the opening degree of the one-stage nozzle vane 13c is further increased. Such control is repeated, and the opening degree control (supercharging pressure control) of the nozzle vane 13c is executed so that the actual intake air amount Vr matches the target intake air amount Vt.
[0043]
If the actual intake air amount Vr still does not reach the target intake air amount Vt even if the opening degree of the nozzle vane 13c reaches the maximum value, the valve closing timing of the intake valve 5 is retarded by operating the VVT 30. The intake stroke is substantially increased to compensate for the insufficient intake amount. When the closing timing of the intake valve 5 is retarded, the closing timing is at the vicinity of the bottom dead center at the maximum.
[0044]
As described above, in the high expansion ratio engine according to the present embodiment, when the engine is in an operation state in which the intake air amount is insufficient (that is, when the engine 1 is in an acceleration transient or operation in a low / medium speed region), first, the turbocharger. 13 is increased to increase the intake air amount. Even when the turbocharger 13 has the maximum supercharging pressure, if the intake air amount is still insufficient, the VVT 30 is operated to increase the intake air amount. ing. In addition, when the shortage of the intake air amount can be solved by the supercharging pressure control of the turbocharger 13, the operation control of the VVT 30 is not executed as a matter of course.
[0045]
Next, the reason for preferentially executing the supercharging pressure control of the turbocharger 13 and then executing the operation control of the VVT 30 when increasing the intake air amount will be described.
As described above, in a mirror cycle (high expansion ratio cycle) engine to which the present invention is applied, the pump loss is reduced by making the expansion ratio ε relatively larger than the geometric compression ratio ρ. The improvement of thermal efficiency is aimed at. Specifically, the valve closing timing of the intake valve 5 is moved away from the bottom dead center as much as possible to reduce the substantial intake stroke, thereby reducing the geometric compression ratio ρ than the expansion ratio ε.
[0046]
Therefore, if the intake amount is insufficient and the VVT 30 is operated to delay the closing timing of the intake valve 5 to near the bottom dead center, the intake amount can be increased, but during this time, the cycle is close to the Otto cycle. Thus, the original advantage of the mirror cycle is lost. That is, in this case, the pump loss increases relative to the mirror cycle, and the thermal efficiency also decreases.
[0047]
On the other hand, the turbocharger 13 primarily uses the exhaust energy to increase the output, and even if the supercharging pressure control is executed, the pump loss increases or the thermal efficiency decreases. Such a problem does not occur.
Therefore, in the high expansion ratio engine according to the present embodiment, in an operating state where the intake amount is insufficient, such as during acceleration transition of the engine 1 or during operation in the low / medium speed range, first, the turbocharger 13 is actively activated. The intake pressure is increased by controlling the supercharging pressure. If the intake amount is still insufficient, the VVT 30 is operated to increase the intake amount.
[0048]
Next, an example of the configuration of the VVT 30 will be briefly described with reference to FIGS. 2A and 2B. The VVT 30 is formed on the camshaft 31 and is rotated according to the rotation of the crankshaft. , 32b and rocker arms 33a, 33b driven by these cams 32a, 32b. Both of these rocker arms 33a and 33b do not contact the intake valves 5 and 5, and are configured as sub-rocker arms indirectly related to the opening and closing drive of the intake valves 5 and 5. Between these sub rocker arms 33a and 33b, there is provided a main rocker arm 33c which is in contact with the stem end portion of the intake valves 5 and 5 and directly related to the opening and closing drive of the intake valves 5 and 5.
[0049]
Further, one cam 32a has a cam profile suitable for a mirror cycle for early intake closing, and the other cam 32b has a cam profile that retards the valve closing timing than the one cam 32a. ing.
Here, the main rocker arm 33 c is formed integrally with the rocker shaft 34 and is configured to be swingable together with the rocker shaft 34. The tip of the main rocker arm 33c is in contact with the stem upper end of the intake valves 5 and 5.
[0050]
Further, the two sub rocker arms 33a and 33b are pivotally supported so as to be rotatable relative to the rocker shaft 34 (that is, the main rocker arm 33c).
Further, as shown in FIG. 2B, between the sub rocker arms 33a and 33b and the rocker shaft 34, the sub rocker arms 33a and 33b are rotatable with respect to the rocker shaft 34, and the main rocker arm 33c and Hydraulic piston mechanisms 36a and 36b are provided that can switch between a mode in which no linkage operation is performed (non-linkage mode) and a mode in which the sub-rocker arms 33a and 33b rotate integrally with the rocker shaft 34 and link with the main rocker arm 33c (linkage mode). ing.
[0051]
In addition, oil passages 34a and 34b are formed inside the rocker shaft 34, and the operation of the hydraulic piston mechanisms 36a and 36b is switched by the hydraulic oil supplied and discharged from the oil passages 34a and 34b. ing. For example, when hydraulic fluid is supplied from the oil passages 34a and 34b to the piston mechanisms 36a and 36b, the piston 37a is driven to the base end side in the piston mechanism 36a, and the tip of the piston 37a is detached from the hole 38a. On the other hand, in the piston mechanism 36b, the piston 37b is driven to the tip end side, and the tip end portion of the piston 37b is fitted into the hole 38b.
[0052]
When the piston 37b is inserted into the hole 38b, the sub rocker arm 33b rotates integrally with the rocker shaft 34 to be linked to the main rocker arm 33c (linkage mode), and the piston 37a is detached from the hole 38a. The rocker arm 33a is rotatable with respect to the rocker shaft 34, and is in a mode in which the rocker arm 33a is not linked to the main rocker arm 33c (non-linked mode).
[0053]
Further, the supply state of the above-described hydraulic oil is controlled by the ECU 40, thereby appropriately switching between the linkage mode and the non-linkage mode of the sub rocker arms 33b and 33a, and the closing timing of the intake valve 5 is set. Can be changed.
Since the high expansion ratio cycle engine according to the embodiment of the present invention is configured as described above, the ECU 40 is operated by the ECU 40 during acceleration transient based on information from the engine speed sensor 3 and the accelerator position sensor 4. In a state where there is no operation in the high speed range, the sub rocker arm 33a is switched to a mode in which the main rocker arm 33c is linked to the main rocker arm 33c.
[0054]
Therefore, in this case, the intake valve 5 is driven to open and close by a cam 32a having a cam profile suitable for a mirror cycle for early intake closing. Specifically, when the piston descends from top dead center and the intake stroke starts, the intake valve opens and intake air is taken in from the intake valve. Then, the intake valve 5 is closed at a predetermined timing before the bottom dead center (BDC) (see point b in FIG. 6), whereby the substantial intake stroke is completed.
[0055]
Then, the intake air amount is reduced by closing the intake valve 5 at a timing much earlier than the piston reaches the bottom dead center in this way, thereby reducing the compression ratio. Further, since the expansion stroke is from the top dead center to the bottom dead center of the piston as before, the expansion stroke is relatively larger than the substantial compression stroke, so that the expansion ratio ε> the geometric compression ratio ρ. As a result, the pumping loss is reduced and the thermal efficiency is improved. Further, knocking (knock) can be avoided by reducing the compression ratio (for example, compression ratio ρ = 9).
[0056]
On the other hand, when the ECU 40 determines that the engine 1 is in an acceleration transient state or is operating in a low / medium speed range based on information from the engine speed sensor 3 and the accelerator position sensor 4, a target intake air amount setting is performed. The target value (target intake air amount) Vt set by the means 43 and the actual intake air amount (actual intake air amount) Vr detected by the AFS 18 are compared by the comparison means 44. As a result, when it is determined that the actual intake air amount Vr is less than or equal to the target intake air amount Vt, the supercharging pressure control of the turbocharger 13 is executed by the supercharging pressure setting means 45.
[0057]
That is, in this case, a control signal is output from the supercharging pressure setting means 45 to the actuator 20 so that the opening degree of the variable nozzle vane 13c of the turbocharger 13 is increased by one step in order to increase the intake air amount. After that, the comparison means 44 compares the actual intake air amount Vr with the target intake air amount Vt. If the actual intake air amount Vr is still less than or equal to the target intake air amount Vt, the opening degree of the one-stage nozzle vane 13c is further increased. The actual intake air amount Vr is increased. Then, such control is repeated, and the opening degree control of the nozzle vane 13c is executed so that the actual intake air amount Vr and the target intake air amount Vt coincide with each other.
[0058]
If the actual intake air amount Vr is less than the target intake air amount Vt even when the opening degree of the nozzle vane 13c reaches the maximum value, the VVT 30 is operated. Specifically, the linkage operation between the sub-rocker arm 33a and the main rocker arm 33c is released, and the other sub-rocker arm 33b is switched to a mode in which the linkage operation is performed with the main rocker arm 33c.
[0059]
Therefore, in this case, the intake valve 5 is driven to open and close by the cam 32b whose valve closing timing is set to the retard side of the mirror cycle of the early intake air closing. In other words, in this case, when the piston descends from the top dead center and the intake stroke starts, the intake valve opens and passes a predetermined timing (see point b in FIG. 6) before the bottom dead center (BDC). Even so, the intake valve 5 is kept open. Then, the intake valve 5 is closed in the vicinity of the bottom dead center, and as much intake air flows into the cylinder as the valve closing timing is retarded.
[0060]
As a result, insufficient intake air can be secured during operation in the low / medium speed range or during acceleration transition, and a reduction in output torque can be prevented.
Hereinafter, the operation of the present invention will be described based on the flowchart of FIG. 4. First, in step S1, information from each sensor is captured. Specifically, the engine speed Ne and the accelerator opening Acc are taken in from the engine speed sensor 3 and the accelerator position sensor 4, respectively.
[0061]
Next, in step S2, based on the engine speed Ne and the accelerator opening Acc, it is determined whether or not the operating range of the engine 1 is a low / medium speed range or the engine 1 is in an acceleration transient state. If the engine 1 is operating in the low / medium speed range, or if the engine 1 is in an acceleration transition state, the process proceeds to step S3, and if not, the process returns.
[0062]
Here, when the process proceeds to step S3, that is, when the engine 1 is operating in the low / medium speed range or at the time of acceleration transient, it is considered that the intake air amount has decreased, and is detected by the AFS18. The actual intake air amount Vr is compared with the target intake air amount Vt set by the target intake air amount setting means 43 to determine whether or not the actual intake air amount Vr is equal to or less than the target intake air amount Vt.
[0063]
If it is determined in step S3 that the actual intake air amount Vr is equal to or less than the target intake air amount Vt, the process proceeds to step S4, and the angle of the variable nozzle vane 13c of the turbocharger 13 is increased by one step in order to increase the supercharging pressure. The The intake air amount can be increased by increasing the supercharging pressure in this way.
Thereafter, the process proceeds to step S5, where the actual intake air amount Vr and the target intake air amount Vt are compared again, and if the actual intake air amount Vr has reached the target intake air amount Vt, the routine returns and the actual intake air amount Vr becomes the target intake air amount Vt. If not, the process proceeds to step S6. In step S6, it is determined whether or not the opening degree of the nozzle vane 13c is maximum. If the opening degree is not maximum, the process returns to step S4, and the processes in steps S4 and S5 are repeated again.
[0064]
Further, if it is determined in step S6 that the opening degree of the nozzle vane 13c is maximum, the turbocharger 13 is in a limit state where the intake air amount cannot be increased. Therefore, in this case, the process proceeds to step S7, and the closing timing of the intake valve 5 is changed to the bottom dead center side by the VVT 30 in order to increase the intake amount.
[0065]
Therefore, according to the high expansion ratio cycle engine of one embodiment of the present invention, when the intake air amount is small until the boost pressure rises during acceleration transient, the turbocharger is increased so that the intake air amount increases. 13 and VVT 30 are controlled, so that a high compression ratio can be achieved, and a shortage of output torque due to a decrease in the combustion amount can be eliminated and sufficient acceleration can be obtained. Further, although the supercharging pressure is low and the intake amount is still insufficient in the low and medium speed ranges, the operation of the turbocharger 13 and the VVT 30 is controlled so as to increase the intake amount as described above, thereby reducing the combustion amount. There is an advantage that deficiency in output torque due to the reduction can be solved and drivability is improved. In addition, since the technology of a variable nozzle vane turbocharger and a variable valve timing mechanism that have already been put into practical use can be applied, there is an advantage that the mechanical reliability is high.
[0066]
In addition, as described above, when the intake air amount is to be increased, the supercharging pressure control of the turbocharger 13 is preferentially executed over the operation control of the VVT 30, and then the operation control of the VVT 30 is executed. Can be maintained, and a decrease in thermal efficiency can be suppressed as much as possible. Therefore, there is an advantage that both improvement in fuel consumption and improvement in drivability can be achieved.
[0067]
In addition, this invention is not limited to the thing of the above-mentioned embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case where the inspiratory early closing type mirror cycle is applied has been described. However, the present invention may be applied to the inspiratory late closing type mirror cycle (see the acupressure diagram in FIG. 7). In this case, when it is determined that the engine is in an acceleration transition or operation in a low / medium speed range, it may be controlled to advance the closing timing of the intake valve 5 so that the intake amount increases.
[0068]
Further, the VVT (variable valve timing mechanism) is not limited to the rocker arm switching type as described above, and various other mechanisms can be applied as long as the closing timing of the intake valve 5 can be changed. is there. For example, as the variable valve timing mechanism, an electromagnetic intake valve in which the opening / closing timing and the lift amount can be arbitrarily set by the driving force of the electromagnetic coils 5a and 5b as shown in FIG. 5 may be applied.
[0069]
Needless to say, the engine to which the present invention is applied is not limited to the in-cylinder injection type spark ignition engine as described above, but can be applied to a port injection type engine.
In the above-described embodiment, it is determined whether or not the intake air amount is the target intake air amount using information from the AFS (air flow sensor), but a pressure sensor (boost pressure sensor) is disposed downstream of the turbocharger. ) To determine whether the actual intake air pressure is larger than the target intake air pressure based on the boost pressure obtained by the pressure sensor, and thereby determine whether the intake air amount is less than the target value. Good.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the high expansion ratio cycle engine of the present invention, when the intake air amount until the boost pressure rises at the time of acceleration transient rises, the supercharger increases so that the intake air amount increases. Since the supercharging pressure of the intake air and the closing timing of the intake valve are controlled by this, the output torque shortage due to the decrease in the combustion amount can be prevented. As a result, sufficient acceleration can be obtained even during acceleration transition, and drivability is improved. In addition, since the technology of the supercharger and the variable valve timing mechanism that are already in practical use can be applied, there is an advantage that the mechanical reliability is high. Further, since the supercharging pressure changing means is preferentially operated over the variable valve timing mechanism to increase the intake air amount, a high expansion ratio can be maintained as much as possible, and a decrease in thermal efficiency can be prevented. Therefore, there is an advantage that both improvement in fuel efficiency and improvement in drivability can be achieved (claims 1, 5 and 6).
[0071]
Further, according to the high expansion ratio cycle engine of the present invention, the valve closing timing of the intake valve is controlled so that the intake air amount increases in the operation region where the supercharging pressure in the low / medium speed region becomes low. The lack of output torque due to the decrease in the output can be resolved, and drivability is improved. In addition, since the technology of the supercharger and the variable valve timing mechanism that are already in practical use can be applied, there is an advantage that the mechanical reliability is high. Further, since the supercharging pressure changing means is preferentially operated over the variable valve timing mechanism to increase the intake air amount, a high expansion ratio can be maintained as much as possible, and a decrease in thermal efficiency can be prevented. Therefore, there is an advantage that both improvement in fuel consumption and improvement in drivability can be achieved (claims 2, 5, 6).
In addition, according to the high expansion ratio cycle engine of the present invention, there is an advantage that the intake air amount can be easily changed by changing the opening degree of the nozzle vane (claims 3 and 4).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a high expansion ratio cycle engine according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views for explaining an example of a variable valve timing mechanism applied to the high expansion ratio cycle engine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a main configuration of the high expansion ratio cycle engine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the high expansion ratio cycle engine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining another example of the variable valve timing mechanism applied to the present invention.
FIG. 6 is a shiatsu diagram illustrating an example of a conventional high expansion ratio cycle engine.
FIG. 7 is an acupressure diagram illustrating another example of a conventional high expansion ratio cycle engine.
[Explanation of symbols]
1 engine
5 Intake valve
13 Turbocharger (supercharger)
14 ETV (drive-by-wire slot valve)
18 Airflow sensor or AFS (actual intake air amount detection means)
20 Actuator (Supercharging pressure changing means)
30 VVT (Variable valve timing mechanism)
40 ECU (control means)
41 Acceleration transient judgment means
42 Driving speed region determination means
43 Target intake air amount setting means
44 Comparison means

Claims (6)

膨張比を圧縮比よりも大きく設定するとともに過給機を備えた高膨張比サイクルエンジンにおいて、
エンジンの加速過渡時を判定する加速過渡時判定手段と、
該エンジンの吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
該過給機による吸気の過給圧を変更可能な過給圧変更手段と、
該可変バルブタイミング機構及び該過給圧変更手段の作動を制御する制御手段とをそなえ、
該加速過渡時判定手段により該エンジンの加速過渡時が判定されると、吸入空気量が増大するように該過給圧変更手段の作動が制御されるとともに、該過給圧変更手段の作動後においても該吸入空気量が不足していると判定されると、該吸入空気量が増大するように該可変バルブタイミング機構の作動が制御される
ことを特徴とする、高膨張比サイクルエンジン。
In a high expansion ratio cycle engine with an expansion ratio set larger than the compression ratio and a supercharger,
An acceleration transient judging means for judging an acceleration transient of the engine;
A variable valve timing mechanism capable of changing the closing timing of the intake valve of the engine;
A supercharging pressure changing means capable of changing the supercharging pressure of the intake air by the supercharger;
Control means for controlling the operation of the variable valve timing mechanism and the supercharging pressure changing means,
When the acceleration transient determining means determines the acceleration transient time, the operation of the supercharging pressure changing means is controlled so that the intake air amount increases, and after the supercharging pressure changing means is operated. If it is determined that the intake air amount is insufficient, the operation of the variable valve timing mechanism is controlled so that the intake air amount increases.
膨張比を圧縮比よりも大きく設定するとともに過給機を備えた高膨張比サイクルエンジンにおいて、
エンジンの運転速度領域を判定する運転速度領域判定手段と、
該エンジンの吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
該過給機による吸気の過給圧を変更可能な過給圧変更手段と、
該可変バルブタイミング機構及び該過給圧変更手段の作動を制御する制御手段とをそなえ、
該運転速度領域判定手段により該エンジンの運転速度領域が低中速域であると判定されると、吸入空気量が増大するように該過給圧変更手段の作動が制御されるとともに、該過給圧変更手段の作動後においても該吸入空気量が不足していると判定されると、該吸入空気量が増大するように該可変バルブタイミング機構の作動が制御される
ことを特徴とする、高膨張比サイクルエンジン。
In a high expansion ratio cycle engine with an expansion ratio set larger than the compression ratio and a supercharger,
An operating speed area determining means for determining an operating speed area of the engine;
A variable valve timing mechanism capable of changing the closing timing of the intake valve of the engine;
A supercharging pressure changing means capable of changing the supercharging pressure of the intake air by the supercharger;
Control means for controlling the operation of the variable valve timing mechanism and the supercharging pressure changing means,
When the operating speed region determining means determines that the engine operating speed region is a low / medium speed region, the operation of the supercharging pressure changing means is controlled so that the intake air amount increases, and When it is determined that the intake air amount is insufficient even after the operation of the supply pressure changing means, the operation of the variable valve timing mechanism is controlled so that the intake air amount increases. High expansion ratio cycle engine.
該過給機が、タービンに付設されたノズルベーンの開度を変更することで過給圧を変更可能な可変ノズルベーン付きターボチャージャであって、
該過給圧が増加するように該ノズルベーンの開度を変更させることにより該吸気量を増大させるように構成されている
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の高膨張比サイクルエンジン。
The turbocharger is a turbocharger with a variable nozzle vane capable of changing a supercharging pressure by changing an opening degree of a nozzle vane attached to the turbine,
The high expansion ratio cycle engine according to claim 1 or 2, wherein the intake air amount is increased by changing an opening of the nozzle vane so that the supercharging pressure increases.
該ノズルベーンの開度変更量を最大としても該吸入空気量が不足している場合に、該吸入空気量が増大するように該可変バルブタイミング機構の作動が制御される
ことを特徴とする、請求項3記載の高膨張比サイクルエンジン。
The operation of the variable valve timing mechanism is controlled so that the intake air amount increases when the intake air amount is insufficient even when the opening degree change amount of the nozzle vane is maximized. Item 4. The high expansion ratio cycle engine according to Item 3.
該エンジンが、該吸気弁を吸気行程の途中で閉弁することにより膨張比を圧縮比よりも大きくするように構成された吸気弁早閉じタイプの高膨張比サイクルエンジンであって、該可変バルブタイミング機構が該吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより吸気量を増大させるように構成されていることを特徴とする、請求項1〜4項のいずれか1項記載の高膨張比サイクルエンジン。The engine is an intake valve early closing type high expansion ratio cycle engine configured to close an intake valve in the middle of an intake stroke so that an expansion ratio is larger than a compression ratio, the variable valve The high expansion ratio cycle according to any one of claims 1 to 4, wherein the timing mechanism is configured to increase the intake air amount by retarding the closing timing of the intake valve. engine. 該エンジンが、該吸気弁を圧縮行程の途中で閉弁することにより膨張比を圧縮比よりも大きくするように構成された吸気弁遅閉じタイプの高膨張比サイクルエンジンであって、該可変バルブタイミング機構が該吸気弁の閉弁時期を進角させることにより吸気量を増大させるように構成されている
ことを特徴とする、請求項1〜4項のいずれか1項記載の高膨張比サイクルエンジン。
The engine is an intake valve slow closing type high expansion ratio cycle engine configured to close the intake valve in the middle of a compression stroke so that the expansion ratio is larger than the compression ratio, the variable valve The high expansion ratio cycle according to any one of claims 1 to 4, wherein the timing mechanism is configured to increase the intake amount by advancing the closing timing of the intake valve. engine.
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