JP4135394B2 - Control device for internal combustion engine - Google Patents

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JP4135394B2 JP2002125669A JP2002125669A JP4135394B2 JP 4135394 B2 JP4135394 B2 JP 4135394B2 JP 2002125669 A JP2002125669 A JP 2002125669A JP 2002125669 A JP2002125669 A JP 2002125669A JP 4135394 B2 JP4135394 B2 JP 4135394B2
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置、特に、吸気弁側に可変動弁機構を備えたガソリン機関における部分負荷時の燃費向上技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は、先に、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小制御可能な可変動弁機構を提案しており、さらに、リフトの中心角の位相を遅進させる機構と組み合わせて、リフト特性の大幅な自由度を得るようにした可変動弁機構を提案している(例えば特開2002−89303号公報、特開2002−89341号公報参照)。
【0003】
また本出願人は、レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している(例えば特開2002−21592号公報)。この種の可変圧縮比機構は、内燃機関の機械的な圧縮比つまり公称圧縮比を変化させるものであり、一般に、部分負荷時には、熱効率向上のために高圧縮比に制御され、高負荷時には、ノッキング回避のために低圧縮比に制御される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた場合、ピストンスラスト荷重による摩擦損失や摩耗を低減するためには、上記特開2002−21592号公報に記載のように、ピストンに連結された第1のリンクとシリンダ軸線とのなす角(第1のリンクの倒れ角)θが、圧縮行程後半よりも膨張行程前半において小さくなるように、そのリンク構成を設定することが望ましい。つまり、ピストンに作用する燃焼圧力は膨張行程前半において最大となり、かつこれは圧縮行程中にピストンに作用する反力よりも大きいので、上記の第1のリンクの倒れ角θが、圧縮上死点よりも遅れた位置つまり燃焼圧力が作用する膨張行程前半で最も小さくなるようにすれば、燃焼圧力に起因するピストンスラスト荷重が軽減する。換言すれば、ピストン上死点よりも遅れて燃焼圧力が最大となる付近で第1のリンクが最も垂直姿勢に近い状態となるように構成することが望ましい。
【0005】
しかしながら、このように上記の第1のリンクの倒れ角θが上死点よりも遅れた位置で最小となるようにリンク構成を設定すると、圧縮行程後半における第1のリンクの倒れ角θが逆にそれだけ大きくなる。従って、圧縮行程後半の期間で生じるピストンスラスト荷重は、上記倒れ角θがピストン上死点位置で最小となるようにしたリンク構成の場合に比べて、むしろ増加する。勿論、サイクル全体を通した摩擦損失の点では、上記倒れ角θが膨張行程前半で最小となることが有利であるが、特に、可変圧縮比機構として高圧縮比とした状態では、圧縮に伴うピストンへの反力が大となるので、圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重が比較的大きくなり、摩擦損失や摩耗等の点でなお改善の余地があった。
【0006】
そこで、この発明は、ポンプ損失低減などのために設けられる可変動弁機構を利用して、上記の圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重を抑制し、ピストンスラスト荷重による摩擦損失や摩耗をさらに改善することを目的とする。
【0007】
本発明は、請求項1のように、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点が変化する可変圧縮比機構と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変制御可能な可変動弁機構と、を備え、運転条件に応じて圧縮比および吸気弁閉時期を制御する内燃機関の制御装置において、
上記可変圧縮比機構は、ピストンに連結された第1のリンクとシリンダ軸線とのなす角θが、圧縮行程後半よりも膨張行程前半において小さく、膨張行程前半において最小となるように、そのリンク構成が設定されており、
高圧縮比時に、上記角θが相対的に大きな圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重が、上記角θが最小となる膨張行程前半におけるピストンスラスト荷重と同等もしくはこれよりも小さくなるように、上記吸気弁閉時期を制御して、上記吸気弁閉時期によって定まる実圧縮比、排気弁開時期によって定まる実膨張比よりも小さくすることを特徴としている。
【0008】
ここで、上記実圧縮比は、吸気弁閉時期から圧縮が開始すると想定してピストン上死点まで圧縮したときの圧縮比であり、また実膨張比は、ピストン上死点から膨張して排気弁開時期に膨張が終了すると想定した膨張比であって、いずれもその具体的な値としては、機械的圧縮比に左右されるが、両者の大小比較の上では、そのときの機械的圧縮比は影響しない。つまり、上記の「実圧縮比が実膨張比よりも小さい」という関係は、「(実圧縮比/実膨張比)<1」ということであり、それぞれの基礎となる機械的圧縮比は同一であるから、考慮する必要がなく、吸気弁閉時期によって、上記の大小関係が定まる。そして、「(実圧縮比/実膨張比)<1」という関係は、実圧縮比を積極的に抑制していることになる。
【0009】
このように実圧縮比を低下させるためには、吸気弁を吸気下死点よりも早く閉じる所謂早閉じの方法と、吸気下死点よりも遅く閉じる所謂遅閉じの方法と、のいずれでもよい。
【0010】
例えば請求項4の発明では、実圧縮比を小さくするために、吸気弁作動角をクランク角で180°以下にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも進角させるようにしている。
【0011】
あるいは請求項5の発明では、実圧縮比を小さくするために、吸気弁作動角をクランク角で180°以上にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させるようにしている。
【0012】
すなわち、上記可変圧縮比機構によって公称圧縮比(機械的圧縮比)が変化するが、同じ公称圧縮比であっても、例えば吸気弁を吸気下死点よりも進角した位置で閉じれば、実圧縮比は低下する。これは、吸気下死点よりも遅らせて閉じる遅閉じの場合も同様である。このように実圧縮比を低下させることで、圧縮行程後半においてピストンに作用する反力が低下し、ピストンスラスト荷重が抑制される。
【0013】
なお、可変圧縮比機構による圧縮比制御は、一般に、ノッキングが問題とならない低負荷側では高圧縮比に、高負荷側では相対的に低圧縮比に制御されるので、低負荷側での実圧縮比の低下は問題とならず、公称圧縮比を高めつつ吸気弁閉時期により実圧縮比を抑制することで、ポンプ損失の点で有利となる。
【0014】
請求項1の発明をさらに減縮した請求項2の発明は、過給機を備えており、
吸入行程におけるシリンダ内圧力が大気圧よりも高い過給領域では圧縮比を低く制御し、
吸入行程におけるシリンダ内圧力が大気圧よりも低い非過給領域において、圧縮比を高く制御するとともに、上記実圧縮比が上記実膨張比よりも小さくなるように、上記吸気弁閉時期を制御することを特徴としている。
【0015】
上記過給機としては、ターボ過給機のほか、機械式過給機であってもよい。
【0016】
過給領域では、ノッキングが問題となるので、低圧縮比に制御されるが、非過給領域では、熱効率や燃焼安定性等の点で高圧縮比化することが望ましい。そして、本発明では、この非過給領域で、実圧縮比が実膨張比よりも小さくなるように吸気弁閉時期が制御され、ピストンスラスト荷重が抑制される。
【0017】
望ましくは、請求項3のように、過給圧が高くなるほど上記圧縮比が低く制御される。
【0018】
また上記可変動弁機構は、請求項6のように、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフトの中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、のいずれか一方もしくは双方の組み合わせから構成することができる。
【0019】
上記リフト・作動角可変機構としては、請求項7のように、駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸気弁のタペットを押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより吸気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されたものを用いることができる。
【0020】
また可変圧縮比機構としては、請求項8のように、ピストンにピストンピンを介して連結された第1のリンクと、この第1のリンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第2のリンクと、上記第2のリンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第3のリンクと、を備え、上記第3のリンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで圧縮比の可変制御を行うように構成されたものを用いることができる。
【0021】
【発明の効果】
この発明によれば、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構のリンク構成を、ピストンに連結された第1のリンクとシリンダ軸線とのなす角θが、圧縮行程後半よりも膨張行程前半において小さくなるように設定することで、燃焼圧力によるピストンスラスト荷重を低減でき、かつこれに伴って逆に増加傾向となる圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重を、吸気弁閉時期の制御により抑制することができる。従って、全体としてピストンスラスト荷重を低減でき、摩擦損失や摩耗の低減が図れる。
【0022】
特に過給機と組み合わせた場合に、非過給領域での大幅な燃費低減を達成することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0024】
図1は、この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、吸気弁開閉時期を可変制御するための可変動弁機構101と、内燃機関の公称圧縮比(機械的圧縮比)εを可変制御する圧縮比可変機構102と、点火時期を制御する点火進角制御装置103と、後述するターボ過給機104と、を備えている。
【0025】
図2は、上記可変動弁機構101の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁12のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構1と、そのリフトの中心角の位相(クランクシャフトに対する位相)を進角もしくは遅角させる位相可変機構2と、が組み合わされて構成されている。
【0026】
まず、図3の動作説明図を併せて、リフト・作動角可変機構1を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構1は、本出願人が先に提案したものであるが、位相可変機構2とともに上記の特開2002−89303号公報や特開2002−89341号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【0027】
リフト・作動角可変機構1は、シリンダヘッド上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸13と、この駆動軸13に、圧入等により固定された偏心カム15と、上記駆動軸13の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸13と平行に配置された制御軸16と、この制御軸16の偏心カム部17に揺動自在に支持されたロッカアーム18と、各吸気弁12の上端部に配置されたタペット19に当接する揺動カム20と、を備えている。上記偏心カム15とロッカアーム18とはリンクアーム25によって連係されており、ロッカアーム18と揺動カム20とは、リンク部材26によって連係されている。
【0028】
上記駆動軸13は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【0029】
上記偏心カム15は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸13の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム25の環状部25aが回転可能に嵌合している。
【0030】
上記ロッカアーム18は、略中央部が上記偏心カム部17によって支持されており、その一端部に、上記リンクアーム25の延長部25bが連係しているとともに、他端部に、上記リンク部材26の上端部が連係している。上記偏心カム部17は、制御軸16の軸心から偏心しており、従って、制御軸16の角度位置に応じてロッカアーム18の揺動中心は変化する。
【0031】
上記揺動カム20は、駆動軸13の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部20aに、上記リンク部材26の下端部が連係している。この揺動カム20の下面には、駆動軸13と同心状の円弧をなす基円面24aと、該基円面24aから上記端部20aへと所定の曲線を描いて延びるカム面24bと、が連続して形成されており、これらの基円面24aならびにカム面24bが、揺動カム20の揺動位置に応じてタペット19の上面に当接するようになっている。
【0032】
すなわち、上記基円面24aはベースサークル区間として、リフト量が0となる区間であり、図3に示すように、揺動カム20が揺動してカム面24bがタペット19に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【0033】
上記制御軸16は、図1,2に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ31によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ31への油圧供給は、エンジンコントロールユニット33からの制御信号に基づき、第1油圧制御部32によって制御されている。
【0034】
このリフト・作動角可変機構1の作用を説明すると、駆動軸13が回転すると、偏心カム15のカム作用によってリンクアーム25が上下動し、これに伴ってロッカアーム18が揺動する。このロッカアーム18の揺動は、リンク部材26を介して揺動カム20へ伝達され、該揺動カム20が揺動する。この揺動カム20のカム作用によって、タペット19が押圧され、吸気弁12がリフトする。
【0035】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ31を介して制御軸16の角度が変化すると、ロッカアーム18の初期位置が変化し、ひいては揺動カム20の初期揺動位置が変化する。
【0036】
例えば偏心カム部17が図3(A)のように上方へ位置しているとすると、ロッカアーム18は全体として上方へ位置し、揺動カム20の端部20aが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム20の初期位置は、そのカム面24bがタペット19から離れる方向に傾く。従って、駆動軸13の回転に伴って揺動カム20が揺動した際に、基円面24aが長くタペット19に接触し続け、カム面24bがタペット19に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【0037】
逆に、偏心カム部17が図3(B)のように下方へ位置しているとすると、ロッカアーム18は全体として下方へ位置し、揺動カム20の端部20aが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム20の初期位置は、そのカム面24bがタペット19に近付く方向に傾く。従って、駆動軸13の回転に伴って揺動カム20が揺動した際に、タペット19と接触する部位が基円面24aからカム面24bへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【0038】
上記の偏心カム部17の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図4に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大,縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁12の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【0039】
次に、位相可変機構2は、図2に示すように、上記駆動軸13の前端部に設けられたスプロケット35と、このスプロケット35と上記駆動軸13とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ36と、から構成されている。上記スプロケット35は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用油圧アクチュエータ36への油圧供給は、エンジンコントロールユニット33からの制御信号に基づき、第2油圧制御部37によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ36への油圧制御によって、スプロケット35と駆動軸13とが相対的に回転し、図5に示すように、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構2としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【0040】
なお、リフト・作動角可変機構1ならびに位相可変機構2の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【0041】
このようにリフト・作動角可変機構1と位相可変機構2とを組み合わせた可変動弁機構101によれば、吸気弁開時期および吸気弁閉時期の双方をそれぞれ独立して任意に制御することが可能である。
【0042】
図6は、可変圧縮比機構102の構成を示す図である。
【0043】
クランクシャフト51は、複数のジャーナル部52とクランクピン部53とを備えており、シリンダブロック50の主軸受に、ジャーナル部52が回転自在に支持されている。上記クランクピン部53は、ジャーナル部52から所定量偏心しており、ここに第2リンクとなるロアリンク54が回転自在に連結されている。
【0044】
上記ロアリンク54は、複数の部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン部53が嵌合している。
【0045】
第1リンクとなるアッパリンク55は、下端側が連結ピン56によりロアリンク54の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン57によりピストン58に回動可能に連結されている。上記ピストン58は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック50のシリンダ59内を往復動する。なお、上記シリンダ59の上部に、上記吸気弁12および図示せぬ排気弁が配置されている。
【0046】
第3リンクとなるコントロールリンク60は、上端側が連結ピン61によりロアリンク54の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸62を介して機関本体の一部となるシリンダブロック50の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸62は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部62aを有し、この偏心カム部62aに上記コントロールリンク60下端部が回転可能に嵌合している。
【0047】
上記制御軸62は、エンジンコントロールユニット33(図1参照)からの制御信号に基づき、電動モータを用いた圧縮比制御アクチュエータ63によって回動位置が制御される。
【0048】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構102においては、上記制御軸62が圧縮比制御アクチュエータ63によって回動されると、偏心カム部62aの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク60の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク60の揺動支持位置が変化すると、ピストン58の行程が変化し、図7のように、ピストン上死点(TDC)におけるピストン58の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。図7は、高圧縮比状態と低圧縮比状態とを代表的に示しているが、これらの間で圧縮比を連続的に変化させることができる。
【0049】
なお、この圧縮比は後述するように機関運転条件に応じて予め与えられた制御マップに基づいて制御されるが、本実施例では、図1に示したように、ノッキング発生を検出するノッキングセンサ71がシリンダブロック50等に設けられており、このノッキングによっても圧縮比が修正されるようになっている。
【0050】
また、上記の複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構102は、リンク構成の自由度が大きいが、特に、この発明では、前述したように、膨張行程前半におけるピストンスラスト荷重を低減するために、ピストン58に連結されたアッパリンク55とシリンダ軸線mとのなす角(アッパリンク55の倒れ角)θが、圧縮行程後半よりも膨張行程前半において小さくなるように、そのリンク構成が設定されている。図8は、ピストン58に単位荷重を加えたときに発生するスラスト荷重をピストンスラスト荷重率と定義し、クランク角に伴うその変化を示している。なお、上記ピストンスラスト荷重率は、tanθに比例する。図示するように、この例では、ピストン上死点位置よりも遅れた膨張行程前半においてアッパリンク55が略垂直つまりθ≒0となる。この位置は、燃焼圧力が最大となる位置にほぼ対応する。そして、その前後では、倒れ角θは、いずれも正の値となっているが、その大きさは、ピストン上死点を中心として、膨張行程前半に比べて圧縮行程後半の方が大きい。つまり、ピストン上死点から同じ角度離れた2点で比較したときに、上死点前の方が上死点後よりも倒れ角θが大きく、それだけピストンスラスト荷重率も大となる。
【0051】
図9は、ターボ過給機104の構成を示している。このターボ過給機104は、内燃機関の排気通路81に位置するタービン82と吸気通路83に位置するコンプレッサ84とを同軸状に連結した構成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、タービン82の上流側から排気の一部をバイパスさせる排気バイパス弁85を備えている。また、吸気通路83のコンプレッサ84下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ86が配置され、シリンダブロック50に前述したようにノッキングセンサ71が配置されている。なお、87は排気弁である。
【0052】
次に、上記のように構成された内燃機関の各部の制御について説明する。
【0053】
可変圧縮比機構102による機械的圧縮比εの制御特性を図10に示す。図示するように、基本的に、過給領域となる高負荷域では機械的圧縮比εは低く保たれ、かつ非過給領域となる低負荷域では機械的圧縮比εは高く制御される。機械的圧縮比εは負荷が高くなるほど低くなるが、図示例では、圧縮比10以下の領域が概ね過給領域であり、圧縮比12以上の領域が概ね非過給領域である。なお、この圧縮比は、ピストン58のストロークによる燃焼室の容積変化のみで決まる幾何学的な圧縮比εであり、可変動弁機構101と組み合わせた本発明では、最終的な実圧縮比は、吸気弁12のバルブリフト特性によっても左右される。
【0054】
図11は、代表的な運転条件下での可変動弁機構101による吸気弁開閉時期の制御を示す。なお、排気弁側には可変動弁機構は設けられていないので、排気弁開時期(EVO)は、常に一定である。図示するように、▲1▼アイドリングおよび▲2▼部分負荷域(R/L域)では、小作動角とするとともにリフト中心角Φを進角させる。従って、吸気弁閉時期(IVC)が下死点より相当早い特性となる。これにより、大幅なポンプ損失の低減が図れる。ここで、もし公称圧縮比εが通常のレベルであると、実圧縮比が低下して燃焼が悪化するが、図10に示すように、このような低負荷領域では圧縮比εが高くなるので、燃焼悪化は回避される。
【0055】
▲3▼加速領域では吸気充填効率を高める必要から、吸気弁閉時期が下死点に近づくように可変動弁機構101を制御する。そのため、ノック発生を回避するように、圧縮比εは徐々に低下する。なお、図の▲3▼の点は、まだ非過給領域にあり、従って、圧縮比εはある程度高く、かつ吸気弁閉時期は下死点よりもかなり早い特性となっている。
【0056】
▲4▼および▲5▼の過給領域となる全開出力時は、充填効率を最大とするために、作動角を十分に拡大し、吸気弁開時期を上死点近傍とするとともに、吸気弁閉時期を下死点近傍とする。従って実圧縮比が高くなる傾向となるので、ノッキング回避のために可変圧縮比機構102による圧縮比εはさらに低く制御される。
【0057】
ここで、上記の例では、▲2▼や▲3▼の部分負荷域や緩加速域で実圧縮比を低下させるに際して、作動角を180°以下にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも進角させる例(所謂早閉じ)を説明したが、作動角を180°以上とし、吸気弁閉時期を下死点よりも遅角させる(所謂遅閉じ)ようにしてもよい。図11の▲2▼および▲3▼のバルブタイミングチャートには、前者の例と後者の例とを併記してある。
【0058】
上記のように、▲2▼や▲3▼の部分負荷域や緩加速域で実圧縮比を低下させることにより、実圧縮比が実膨張比よりも小さくなる。つまり、「(実圧縮比/実膨張比)<1」という関係となる。ここで、上記実圧縮比は、吸気弁閉時期(IVC)から圧縮が開始すると想定してピストン上死点まで圧縮したときの圧縮比であり、また実膨張比は、ピストン上死点から膨張して排気弁開時期(EVO)に膨張が終了すると想定した膨張比である。
【0059】
図12は、負荷に対する、可変圧縮比機構102による圧縮比εの制御特性と、過給圧の変化と、吸気弁閉時期(IVC)の制御特性と、これによる上記の(実圧縮比/実膨張比)の比の変化、とを対比して示している。なお、吸気弁閉時期(IVC)の制御特性としては、上述した早閉じと遅閉じの双方の特性を併記してある。このように、過給圧が大気圧以下である非過給領域においては、圧縮比εが高く与えられると同時に実圧縮比が低くなり、「(実圧縮比/実膨張比)<1」となる。このように、機械的圧縮比εが高い非過給領域で実圧縮比を低下させることにより、前述したように、圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重が低減する。
【0060】
図13は、負荷に対する、可変圧縮比機構102による圧縮比εの制御特性と、過給圧の変化と、(実圧縮比/実膨張比)の比の変化と、圧縮行程および膨張行程における摩擦損失と、を対比して示している。ここで、摩擦損失については、図8で説明したような本発明のものと、倒れ角θが上死点を中心として圧縮行程後半と膨張行程前半とで略等しい特性のものと、を対比して示している。圧縮行程後半の倒れ角をθc、膨張行程前半の倒れ角をθeとし、(θc>θe)が本発明の特性であり、(θc≒θe)が一般の単リンク式ピストン−クランク機構のような従来例の特性である。図示するように、本発明が前提とする(θc>θe)の特性では、前述したように、(θc≒θe)の場合に比べて、特に膨張行程での摩擦損失が大幅に低下する。一方、圧縮行程においては、倒れ角θが増加することから、(θc≒θe)の場合に比べて摩擦損失が増加する。ここで、仮に、本発明のように「(実圧縮比/実膨張比)<1」となるように実圧縮比を小さくしないとすると、比較例として仮想線で示すように、圧縮行程での摩擦損失がさらに大きなものとなる。これに対し、本発明では、部分負荷時に、圧縮比εは高く設定されるため膨張比は高くなるが、吸気弁閉時期(IVC)を下死点から大きく進角もしくは遅角させて「(実圧縮比/実膨張比)<1」とすることにより、圧縮行程中の圧縮による吸気圧力および温度の上昇が緩和され、圧縮行程での摩擦損失が実線のように抑制される。なお、実圧縮比の低下は充填効率の低下を伴うため、スロットル開度がその分だけ大きく開くことになり、筒内圧力自体の差はその分縮小するが、それよりも実圧縮比の低下による圧縮行程での圧力や温度の影響が大きい。
【0061】
なお、高負荷域つまり過給領域では、充填効率を高めるために、実圧縮比が高くなるように吸気弁閉時期(IVC)が制御されるが、この領域では機械的圧縮比εが大幅に低下するので、摩擦損失の上昇は比較的小さく、過度の摩耗が回避される。
【0062】
図14は、参考として、非過給領域においても(実圧縮比=実膨張比)となるように吸気弁閉時期(IVC)を制御した場合の摩擦損失等を示したものである。図示するように、この場合、部分負荷域での摩擦損失、特に圧縮行程での摩擦損失が大となる。この運転領域は、自動車用内燃機関としては使用頻度が特に高いので、実用的な燃費には大きな影響がある。
【0063】
上記実施例では、可変圧縮比機構としてリフト・作動角可変機構1と位相可変機構2とを組み合わせた例を説明したが、本発明では、少なくとも吸気弁閉時期(IVC)を遅進させ得る構成であれば足り、いずれか一方でも実圧縮比の抑制を実現することができる。
【0064】
図15は、上記実施例のように、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2との双方を備えた場合の実圧縮比の可変制御の一例を示している。また、図16は、位相可変機構2のみを備えた場合の実圧縮比の可変制御の一例を示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る制御装置のシステム全体を示す構成説明図。
【図2】この実施例における可変動弁機構を示す斜視図。
【図3】リフト・作動角可変機構の動作説明図。
【図4】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図5】位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。
【図6】この実施例における可変圧縮比機構を示す正面図。
【図7】可変圧縮比機構の動作説明図。
【図8】この可変圧縮比機構におけるピストンスラスト荷重率の特性を示す特性図。
【図9】ターボ過給機の構成説明図。
【図10】圧縮比制御特性を示す特性図。
【図11】代表的な運転条件でのバルブリフト特性を示す特性図。
【図12】負荷に対する吸気弁閉時期の制御特性等を対比して示す特性図。
【図13】負荷に対する摩擦損失等の特性を対比して示す特性図。
【図14】実圧縮比=実膨張比とした参考例の場合の図13と同様の特性図。
【図15】リフト・作動角可変機構と位相可変機構の双方を備えた場合の実圧縮比の可変制御の例を示す特性図。
【図16】位相可変機構のみを備えた場合の実圧縮比の可変制御の例を示す特性図。
【符号の説明】
101…可変動弁機構
102…可変圧縮比機構
104…ターボ過給機
1…リフト・作動角可変機構
2…位相可変機構
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an internal combustion engine that includes a variable compression ratio mechanism that variably controls an engine compression ratio, and more particularly to a fuel efficiency improvement technique at the time of partial load in a gasoline engine that includes a variable valve mechanism on the intake valve side.
[0002]
[Prior art]
The present applicant has previously proposed a variable valve mechanism capable of continuously expanding and reducing the lift and operating angle of the intake valve, and further combining it with a mechanism for delaying the phase of the center angle of the lift. Thus, there have been proposed variable valve mechanisms that can obtain a large degree of freedom in lift characteristics (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2002-89303 and 2002-89341).
[0003]
Further, the present applicant uses a multi-link type piston-crank mechanism as a variable compression ratio mechanism of a reciprocating internal combustion engine, and changes a piston top dead center position by moving a part of the link configuration. Various proposals have been made (for example, JP-A-2002-215952). This type of variable compression ratio mechanism changes the mechanical compression ratio of the internal combustion engine, that is, the nominal compression ratio, and is generally controlled at a high compression ratio to improve thermal efficiency during partial load, and at high load, The compression ratio is controlled to be low in order to avoid knocking.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the multi-link type piston-crank mechanism as described above is used, in order to reduce the friction loss and wear due to the piston thrust load, it is connected to the piston as described in JP-A-2002-215952. It is desirable to set the link configuration so that the angle (first link tilt angle) θ formed by the first link and the cylinder axis is smaller in the first half of the expansion stroke than in the second half of the compression stroke. That is, the combustion pressure acting on the piston becomes maximum in the first half of the expansion stroke, and this is larger than the reaction force acting on the piston during the compression stroke, so that the tilt angle θ of the first link is the compression top dead center. The piston thrust load caused by the combustion pressure is reduced by making it the smallest in the later position, that is, the first half of the expansion stroke in which the combustion pressure acts. In other words, it is desirable that the first link be in the state closest to the vertical posture in the vicinity where the combustion pressure becomes maximum after the piston top dead center.
[0005]
However, when the link configuration is set such that the tilt angle θ of the first link is minimized at a position delayed from the top dead center, the tilt angle θ of the first link in the latter half of the compression stroke is reversed. It grows that much. Therefore, the piston thrust load generated in the latter half of the compression stroke is rather increased as compared with the link configuration in which the tilt angle θ is minimized at the piston top dead center position. Of course, in terms of friction loss throughout the cycle, it is advantageous that the tilt angle θ is minimized in the first half of the expansion stroke, but particularly in a state where the variable compression ratio mechanism has a high compression ratio, it is accompanied by compression. Since the reaction force to the piston becomes large, the piston thrust load in the latter half of the compression stroke becomes relatively large, and there is still room for improvement in terms of friction loss and wear.
[0006]
Therefore, the present invention uses a variable valve mechanism provided for reducing pump loss and the like to suppress the piston thrust load in the latter half of the compression stroke and further improve the friction loss and wear due to the piston thrust load. With the goal.
[0007]
The present invention provides a variable compression ratio mechanism in which a piston top dead center is changed by moving a part of the link structure using a multi-link type piston-crank mechanism as in claim 1, and at least a closing timing of the intake valve An internal combustion engine control device that controls the compression ratio and the intake valve closing timing in accordance with the operating conditions.
The variable compression ratio mechanism has a link configuration so that the angle θ formed between the first link connected to the piston and the cylinder axis is smaller in the first half of the expansion stroke than in the second half of the compression stroke and is minimized in the first half of the expansion stroke. Is set,
The intake valve so that the piston thrust load in the latter half of the compression stroke when the angle θ is relatively large at the high compression ratio is equal to or smaller than the piston thrust load in the first half of the expansion stroke where the angle θ is minimized. by controlling the closing timing, the actual compression ratio determined by the intake valve closing timing, is characterized by smaller than the actual expansion ratio determined by the opening time exhaust valve.
[0008]
Here, the actual compression ratio is a compression ratio when compression is performed up to the piston top dead center on the assumption that compression starts from the intake valve closing timing, and the actual expansion ratio expands from the piston top dead center and exhausts. These expansion ratios assume that the expansion ends at the valve opening timing, and the specific values of both are dependent on the mechanical compression ratio. The ratio has no effect. In other words, the relationship that “the actual compression ratio is smaller than the actual expansion ratio” is “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1”, and the mechanical compression ratios that are the basis of each are the same. Therefore, there is no need to consider, and the above magnitude relationship is determined by the intake valve closing timing. The relationship “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1” means that the actual compression ratio is positively suppressed.
[0009]
In order to lower the actual compression ratio in this way, either the so-called early closing method of closing the intake valve earlier than the intake bottom dead center or the so-called delayed closing method of closing later than the intake bottom dead center may be used. .
[0010]
For example, in the invention of claim 4, in order to reduce the actual compression ratio, the intake valve operating angle is set to 180 ° or less in crank angle, and the intake valve closing timing is advanced from the intake bottom dead center. .
[0011]
Alternatively, in the invention of claim 5, in order to reduce the actual compression ratio, the intake valve operating angle is set to 180 ° or more in crank angle, and the intake valve closing timing is retarded from the intake bottom dead center. .
[0012]
That is, the nominal compression ratio (mechanical compression ratio) is changed by the variable compression ratio mechanism, but even if the same nominal compression ratio, for example, if the intake valve is closed at a position advanced from the intake bottom dead center, the actual compression ratio will be The compression ratio decreases. The same applies to the case of late closing that closes after the intake bottom dead center. By reducing the actual compression ratio in this way, the reaction force acting on the piston in the latter half of the compression stroke is reduced, and the piston thrust load is suppressed.
[0013]
The compression ratio control by the variable compression ratio mechanism is generally controlled to a high compression ratio on the low load side where knocking does not become a problem and to a relatively low compression ratio on the high load side. A decrease in the compression ratio is not a problem, and it is advantageous in terms of pump loss by suppressing the actual compression ratio by the intake valve closing timing while increasing the nominal compression ratio.
[0014]
The invention of claim 2 further reduced from the invention of claim 1 comprises a supercharger,
In the supercharging region where the cylinder pressure during the intake stroke is higher than atmospheric pressure, the compression ratio is controlled to be low,
In the non-supercharging region where the cylinder pressure in the intake stroke is lower than atmospheric pressure, the compression ratio is controlled to be high, and the intake valve closing timing is controlled so that the actual compression ratio is smaller than the actual expansion ratio. It is characterized by that.
[0015]
The supercharger may be a turbocharger or a mechanical supercharger.
[0016]
Since knocking becomes a problem in the supercharging region, the compression ratio is controlled to be low. However, in the non-supercharging region, it is desirable to increase the compression ratio in terms of thermal efficiency, combustion stability, and the like. In the present invention, the intake valve closing timing is controlled so that the actual compression ratio becomes smaller than the actual expansion ratio in this non-supercharging region, and the piston thrust load is suppressed.
[0017]
Desirably, the compression ratio is controlled to be lower as the supercharging pressure becomes higher.
[0018]
In addition, the variable valve mechanism, as described in claim 6, delays the phase of the lift / working angle variable mechanism capable of continuously expanding / reducing the lift / working angle of the intake valve and the center angle of the lift of the intake valve. The phase variable mechanism to be advanced can be configured by either one or a combination of both.
[0019]
As the lift / operating angle variable mechanism, as in claim 7, an eccentric cam that is rotationally driven by a drive shaft, a link arm that is fitted to the outer periphery of the eccentric cam so as to be relatively rotatable, and a parallel to the drive shaft. A pivotable control shaft provided with an eccentric cam portion, a rocker arm rotatably mounted on the eccentric cam portion of the control shaft and swung by the link arm, and rotated on the drive shaft And an oscillating cam that presses the tappet of the intake valve by oscillating along with the rocker arm and oscillating along with the rocker arm. It is possible to use a configuration in which the lift / operating angle of the intake valve is increased or decreased simultaneously by changing the rotation position of the part.
[0020]
As the variable compression ratio mechanism, as in claim 8, a first link connected to the piston via a piston pin, a swing pin connected to the first link and a crank pin of the crankshaft. A second link rotatably connected to the part, and a third link swingably connected to the second link and supported swingably on the engine body. It is possible to use one configured to perform variable control of the compression ratio by changing the fulcrum position of the link relative to the engine body.
[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the link configuration of the variable compression ratio mechanism using the multi-link type piston-crank mechanism, the angle θ formed by the first link connected to the piston and the cylinder axis is expanded more than the latter half of the compression stroke. By setting it to be small in the first half of the stroke, the piston thrust load due to combustion pressure can be reduced, and conversely, the piston thrust load in the latter half of the compression stroke that tends to increase is suppressed by controlling the intake valve closing timing can do. Therefore, the piston thrust load can be reduced as a whole, and friction loss and wear can be reduced.
[0022]
In particular, when combined with a supercharger, a significant reduction in fuel consumption can be achieved in a non-supercharged region.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows an embodiment of a control device for an internal combustion engine according to the present invention. The internal combustion engine includes a variable valve mechanism 101 for variably controlling the intake valve opening / closing timing, a compression ratio variable mechanism 102 for variably controlling the nominal compression ratio (mechanical compression ratio) ε of the internal combustion engine, and an ignition timing control. An ignition advance control device 103 that performs this operation and a turbocharger 104 that will be described later are provided.
[0025]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the variable valve mechanism 101. The variable valve mechanism includes a lift / operating angle variable mechanism 1 that changes the lift / operating angle of the intake valve 12, and the lift. A phase variable mechanism 2 that advances or retards the phase of the central angle (phase relative to the crankshaft) is combined.
[0026]
First, the lift / operating angle variable mechanism 1 will be described with reference to the operation explanatory diagram of FIG. The lift / operating angle variable mechanism 1 was previously proposed by the applicant of the present invention, but is known together with the phase variable mechanism 2 from the above-mentioned JP-A-2002-89303 and JP-A-2002-89341. Therefore, only the outline will be explained.
[0027]
The lift / operating angle variable mechanism 1 includes a hollow drive shaft 13 rotatably supported by a cam bracket (not shown) above the cylinder head, an eccentric cam 15 fixed to the drive shaft 13 by press-fitting or the like, A control shaft 16 that is rotatably supported by the same cam bracket at a position above the drive shaft 13 and is arranged in parallel with the drive shaft 13, and is swingably supported by an eccentric cam portion 17 of the control shaft 16. A rocker arm 18 and a swing cam 20 that abuts against a tappet 19 disposed at the upper end of each intake valve 12 are provided. The eccentric cam 15 and the rocker arm 18 are linked by a link arm 25, and the rocker arm 18 and the swing cam 20 are linked by a link member 26.
[0028]
As will be described later, the drive shaft 13 is driven by a crankshaft of an engine via a timing chain or a timing belt.
[0029]
The eccentric cam 15 has a circular outer peripheral surface, the center of the outer peripheral surface is offset from the shaft center of the drive shaft 13 by a predetermined amount, and the annular portion 25a of the link arm 25 is rotatable on the outer peripheral surface. Is fitted.
[0030]
The rocker arm 18 has a substantially central portion supported by the eccentric cam portion 17, and an extension portion 25 b of the link arm 25 is linked to one end portion of the rocker arm 18, and the link member 26 is connected to the other end portion. The upper end is linked. The eccentric cam portion 17 is eccentric from the axis of the control shaft 16, and accordingly, the rocking center of the rocker arm 18 changes according to the angular position of the control shaft 16.
[0031]
The rocking cam 20 is fitted to the outer periphery of the drive shaft 13 and is rotatably supported. A lower end portion of the link member 26 is linked to an end portion 20a extending to the side. On the lower surface of the swing cam 20, a base circle surface 24a that forms a concentric arc with the drive shaft 13, a cam surface 24b extending in a predetermined curve from the base circle surface 24a to the end portion 20a, Are formed continuously, and the base circle surface 24 a and the cam surface 24 b come into contact with the upper surface of the tappet 19 according to the swing position of the swing cam 20.
[0032]
That is, the base circle surface 24a is a section where the lift amount becomes 0 as a base circle section. As shown in FIG. 3, when the swing cam 20 swings and the cam surface 24b comes into contact with the tappet 19, gradually. It will lift to. A slight ramp section is provided between the base circle section and the lift section.
[0033]
As shown in FIGS. 1 and 2, the control shaft 16 is configured to rotate within a predetermined angle range by a lift / operation angle control hydraulic actuator 31 provided at one end. The hydraulic pressure supply to the lift / operating angle control hydraulic actuator 31 is controlled by the first hydraulic control unit 32 based on a control signal from the engine control unit 33.
[0034]
The operation of the variable lift / operating angle mechanism 1 will be described. When the drive shaft 13 rotates, the link arm 25 moves up and down by the cam action of the eccentric cam 15, and the rocker arm 18 swings accordingly. The swing of the rocker arm 18 is transmitted to the swing cam 20 via the link member 26, and the swing cam 20 swings. The tappet 19 is pressed by the cam action of the swing cam 20, and the intake valve 12 is lifted.
[0035]
Here, when the angle of the control shaft 16 changes via the lift / operating angle control hydraulic actuator 31, the initial position of the rocker arm 18 changes, and consequently, the initial swing position of the swing cam 20 changes.
[0036]
For example, if the eccentric cam portion 17 is positioned upward as shown in FIG. 3A, the rocker arm 18 is positioned upward as a whole, and the end portion 20a of the swing cam 20 is relatively lifted upward. It becomes a state. That is, the initial position of the swing cam 20 is inclined in the direction in which the cam surface 24 b is separated from the tappet 19. Therefore, when the swing cam 20 swings with the rotation of the drive shaft 13, the base circle surface 24a continues to contact the tappet 19 for a long time, and the period during which the cam surface 24b contacts the tappet 19 is short. Therefore, the lift amount is reduced as a whole, and the angle range from the opening timing to the closing timing, that is, the operating angle is also reduced.
[0037]
Conversely, if the eccentric cam portion 17 is positioned downward as shown in FIG. 3B, the rocker arm 18 is positioned downward as a whole, and the end portion 20a of the swing cam 20 is pushed downward relatively. It will be in the state. That is, the initial position of the swing cam 20 is inclined in the direction in which the cam surface 24 b approaches the tappet 19. Accordingly, when the swing cam 20 swings with the rotation of the drive shaft 13, the portion that contacts the tappet 19 immediately shifts from the base circle surface 24a to the cam surface 24b. Therefore, the lift amount is increased as a whole, and the operating angle is increased.
[0038]
Since the initial position of the eccentric cam portion 17 can be continuously changed, the valve lift characteristics change continuously as shown in FIG. That is, the lift and the operating angle can be continuously expanded and contracted simultaneously. In this embodiment, the opening timing and closing timing of the intake valve 12 change substantially symmetrically as the lift and operating angle change.
[0039]
Next, as shown in FIG. 2, the phase variable mechanism 2 is configured so that the sprocket 35 provided at the front end of the drive shaft 13 and the sprocket 35 and the drive shaft 13 are relatively moved within a predetermined angle range. And a hydraulic actuator 36 for phase control that is rotated to the right. The sprocket 35 is linked to the crankshaft via a timing chain or timing belt (not shown). The hydraulic pressure supply to the phase control hydraulic actuator 36 is controlled by the second hydraulic pressure control unit 37 based on a control signal from the engine control unit 33. By the hydraulic pressure control to the phase control hydraulic actuator 36, the sprocket 35 and the drive shaft 13 are relatively rotated, and the lift center angle is retarded as shown in FIG. That is, the lift characteristic curve itself does not change, and the whole advances or retards. This change can also be obtained continuously. The phase variable mechanism 2 is not limited to a hydraulic one, and various configurations such as one using an electromagnetic actuator are possible.
[0040]
The lift / working angle variable mechanism 1 and the phase variable mechanism 2 may be controlled by providing a sensor for detecting an actual lift / working angle or phase and performing a closed loop control or depending on operating conditions. It is also possible to simply perform open loop control.
[0041]
Thus, according to the variable valve mechanism 101 combining the lift / operating angle variable mechanism 1 and the phase variable mechanism 2, both the intake valve opening timing and the intake valve closing timing can be arbitrarily controlled independently. Is possible.
[0042]
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the variable compression ratio mechanism 102.
[0043]
The crankshaft 51 includes a plurality of journal portions 52 and a crankpin portion 53, and the journal portion 52 is rotatably supported by the main bearing of the cylinder block 50. The crankpin portion 53 is eccentric from the journal portion 52 by a predetermined amount, and a lower link 54 serving as a second link is rotatably connected thereto.
[0044]
The lower link 54 is configured to be divided into a plurality of members, and the crank pin portion 53 is fitted into a substantially central connecting hole.
[0045]
The upper link 55 serving as the first link has a lower end side rotatably connected to one end of the lower link 54 by a connecting pin 56, and an upper end side rotatably connected to a piston 58 by a piston pin 57. The piston 58 receives the combustion pressure and reciprocates in the cylinder 59 of the cylinder block 50. Note that the intake valve 12 and an exhaust valve (not shown) are disposed above the cylinder 59.
[0046]
The control link 60 serving as the third link is pivotally connected at its upper end side to the other end of the lower link 54 by a connecting pin 61, and the lower end side of the lower part of the cylinder block 50 that forms part of the engine body via the control shaft 62. It is connected to the pivotable. Specifically, the control shaft 62 is rotatably supported by the engine body and has an eccentric cam portion 62a that is eccentric from the center of rotation, and the lower end portion of the control link 60 is rotatable on the eccentric cam portion 62a. Is fitted.
[0047]
The rotational position of the control shaft 62 is controlled by a compression ratio control actuator 63 using an electric motor based on a control signal from the engine control unit 33 (see FIG. 1).
[0048]
In the variable compression ratio mechanism 102 using the multi-link type piston-crank mechanism as described above, when the control shaft 62 is rotated by the compression ratio control actuator 63, the center position of the eccentric cam portion 62a, in particular, the engine. The relative position with respect to the main body changes. Thereby, the rocking | fluctuation support position of the lower end of the control link 60 changes. When the swing support position of the control link 60 changes, the stroke of the piston 58 changes, and the position of the piston 58 at the piston top dead center (TDC) becomes higher or lower as shown in FIG. This makes it possible to change the engine compression ratio. FIG. 7 representatively shows a high compression ratio state and a low compression ratio state, but the compression ratio can be continuously changed between them.
[0049]
As will be described later, this compression ratio is controlled based on a control map given in advance according to engine operating conditions. In this embodiment, as shown in FIG. 1, a knocking sensor for detecting the occurrence of knocking is used. 71 is provided in the cylinder block 50 or the like, and the compression ratio is also corrected by this knocking.
[0050]
Further, the variable compression ratio mechanism 102 using the above-described multi-link type piston-crank mechanism has a large degree of freedom in the link configuration. In particular, in the present invention, as described above, the piston thrust load in the first half of the expansion stroke is reduced. Therefore, the link configuration is such that the angle formed by the upper link 55 connected to the piston 58 and the cylinder axis m (the tilt angle of the upper link 55) θ is smaller in the first half of the expansion stroke than in the second half of the compression stroke. Is set. FIG. 8 defines the thrust load generated when a unit load is applied to the piston 58 as a piston thrust load factor, and shows the change with the crank angle. The piston thrust load factor is proportional to tan θ. As shown in the drawing, in this example, the upper link 55 is substantially vertical, that is, θ≈0 in the first half of the expansion stroke delayed from the piston top dead center position. This position substantially corresponds to the position where the combustion pressure is maximum. Before and after that, the tilt angle θ is a positive value, but its magnitude is larger in the second half of the compression stroke than in the first half of the expansion stroke with the piston top dead center as the center. That is, when comparing at two points that are the same angle away from the piston top dead center, the tilt angle θ is larger before the top dead center than after the top dead center, and the piston thrust load factor is also increased accordingly.
[0051]
FIG. 9 shows the configuration of the turbocharger 104. The turbocharger 104 has a configuration in which a turbine 82 located in the exhaust passage 81 of the internal combustion engine and a compressor 84 located in the intake passage 83 are coaxially connected, and controls the supercharging pressure according to operating conditions. Therefore, an exhaust bypass valve 85 that bypasses a part of the exhaust from the upstream side of the turbine 82 is provided. Further, a supercharging pressure sensor 86 for detecting a supercharging pressure is disposed on the downstream side of the compressor 84 in the intake passage 83, and the knocking sensor 71 is disposed on the cylinder block 50 as described above. Reference numeral 87 denotes an exhaust valve.
[0052]
Next, control of each part of the internal combustion engine configured as described above will be described.
[0053]
The control characteristics of the mechanical compression ratio ε by the variable compression ratio mechanism 102 are shown in FIG. As shown in the figure, basically, the mechanical compression ratio ε is kept low in the high load region that is the supercharging region, and the mechanical compression ratio ε is controlled to be high in the low load region that is the non-supercharging region. The mechanical compression ratio ε decreases as the load increases. However, in the illustrated example, the region where the compression ratio is 10 or less is generally a supercharging region, and the region where the compression ratio is 12 or more is generally a non-supercharging region. This compression ratio is a geometric compression ratio ε determined only by the volume change of the combustion chamber due to the stroke of the piston 58. In the present invention in combination with the variable valve mechanism 101, the final actual compression ratio is This also depends on the valve lift characteristics of the intake valve 12.
[0054]
FIG. 11 shows control of the intake valve opening / closing timing by the variable valve mechanism 101 under typical operating conditions. Since the variable valve mechanism is not provided on the exhaust valve side, the exhaust valve opening timing (EVO) is always constant. As shown in the figure, in (1) idling and (2) partial load range (R / L range), the lift operating angle Φ is advanced while the small operating angle is set. Therefore, the intake valve closing timing (IVC) is considerably earlier than the bottom dead center. As a result, the pump loss can be greatly reduced. Here, if the nominal compression ratio ε is at a normal level, the actual compression ratio decreases and combustion worsens, but as shown in FIG. 10, the compression ratio ε increases in such a low load region. Combustion deterioration is avoided.
[0055]
(3) Since it is necessary to increase the intake charging efficiency in the acceleration region, the variable valve mechanism 101 is controlled so that the intake valve closing timing approaches the bottom dead center. Therefore, the compression ratio ε gradually decreases so as to avoid the occurrence of knocking. Note that point (3) in the figure is still in the non-supercharging region, and therefore the compression ratio ε is somewhat high, and the intake valve closing timing is considerably earlier than the bottom dead center.
[0056]
In the fully open output, which is the supercharging region of (4) and (5), in order to maximize the charging efficiency, the operating angle is sufficiently expanded, the intake valve opening timing is set near the top dead center, and the intake valve The closing time is near the bottom dead center. Accordingly, since the actual compression ratio tends to increase, the compression ratio ε by the variable compression ratio mechanism 102 is further controlled to avoid knocking.
[0057]
Here, in the above example, when the actual compression ratio is reduced in the partial load range (2) or (3) or the slow acceleration range, the operating angle is set to 180 ° or less, and the intake valve closing timing is set to the intake bottom dead. Although an example in which the angle is advanced from the point (so-called early closing) has been described, the operating angle may be 180 ° or more, and the intake valve closing timing may be delayed from the bottom dead center (so-called late closing). In the valve timing charts (2) and (3) in FIG. 11, the former example and the latter example are shown together.
[0058]
As described above, the actual compression ratio becomes smaller than the actual expansion ratio by reducing the actual compression ratio in the partial load region (2) or (3) or in the slow acceleration region. That is, the relationship is “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1”. Here, the actual compression ratio is a compression ratio when compression is performed up to the piston top dead center on the assumption that the compression starts from the intake valve closing timing (IVC), and the actual expansion ratio is expanded from the piston top dead center. Thus, the expansion ratio assumes that expansion ends at the exhaust valve opening timing (EVO).
[0059]
FIG. 12 shows the control characteristic of the compression ratio ε by the variable compression ratio mechanism 102 with respect to the load, the change in supercharging pressure, the control characteristic of the intake valve closing timing (IVC), and the above (actual compression ratio / actual The change in the ratio of the expansion ratio is shown in comparison. As the control characteristics of the intake valve closing timing (IVC), the characteristics of both the early closing and the late closing described above are shown. Thus, in the non-supercharging region where the supercharging pressure is equal to or lower than the atmospheric pressure, the compression ratio ε is given high, and at the same time, the actual compression ratio becomes low, and “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1” Become. Thus, by reducing the actual compression ratio in the non-supercharging region where the mechanical compression ratio ε is high, the piston thrust load in the latter half of the compression stroke is reduced as described above.
[0060]
FIG. 13 shows the control characteristic of the compression ratio ε by the variable compression ratio mechanism 102 with respect to the load, the change in supercharging pressure, the change in the ratio of (actual compression ratio / actual expansion ratio), and the friction in the compression stroke and the expansion stroke. The loss is shown in comparison. Here, regarding friction loss, the present invention as described with reference to FIG. 8 is compared with the one having the characteristic that the tilt angle θ is substantially equal in the second half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke with the top dead center as the center. It shows. The inclination angle in the latter half of the compression stroke is θc, the inclination angle in the first half of the expansion stroke is θe, (θc> θe) is a characteristic of the present invention, and (θc≈θe) is a general single link piston-crank mechanism. It is the characteristic of a prior art example. As shown in the figure, in the characteristic of (θc> θe) assumed by the present invention, as described above, the friction loss particularly in the expansion stroke is greatly reduced as compared with the case of (θc≈θe). On the other hand, in the compression stroke, since the tilt angle θ increases, the friction loss increases compared to the case of (θc≈θe). Here, if the actual compression ratio is not made small so that “(actual compression ratio / actual expansion ratio) <1” as in the present invention, as shown by a virtual line as a comparative example, Friction loss is even greater. In contrast, in the present invention, at the time of partial load, the compression ratio ε is set high and the expansion ratio becomes high, but the intake valve closing timing (IVC) is greatly advanced or retarded from the bottom dead center to “( By setting (actual compression ratio / actual expansion ratio) <1 ”, an increase in intake pressure and temperature due to compression during the compression stroke is mitigated, and friction loss in the compression stroke is suppressed as indicated by a solid line. In addition, since the decrease in the actual compression ratio is accompanied by a decrease in the charging efficiency, the throttle opening is widened accordingly, and the difference in the in-cylinder pressure itself is reduced by that amount, but the actual compression ratio is further decreased. The effect of pressure and temperature in the compression stroke due to is large.
[0061]
In the high load region, that is, the supercharging region, in order to increase the charging efficiency, the intake valve closing timing (IVC) is controlled so that the actual compression ratio becomes high. In this region, the mechanical compression ratio ε is greatly increased. As it decreases, the increase in friction loss is relatively small and excessive wear is avoided.
[0062]
FIG. 14 shows, for reference, friction loss and the like when the intake valve closing timing (IVC) is controlled so that the actual compression ratio is equal to the actual expansion ratio even in the non-supercharging region. As shown in the figure, in this case, the friction loss in the partial load region, particularly the friction loss in the compression stroke becomes large. This operating region is particularly frequently used as an internal combustion engine for automobiles, and thus has a great influence on practical fuel consumption.
[0063]
In the embodiment described above, the lift / operating angle variable mechanism 1 and the phase variable mechanism 2 are combined as the variable compression ratio mechanism. However, in the present invention, at least the intake valve closing timing (IVC) can be delayed. If it is sufficient, suppression of an actual compression ratio is realizable also in any one.
[0064]
FIG. 15 shows an example of variable control of the actual compression ratio when both the lift / operating angle variable mechanism 1 and the phase variable mechanism 2 are provided as in the above embodiment. FIG. 16 shows an example of variable control of the actual compression ratio when only the phase variable mechanism 2 is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing an entire system of a control device according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a variable valve mechanism in this embodiment.
FIG. 3 is an operation explanatory diagram of a lift / operating angle variable mechanism.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in lift / operating angle characteristics by a lift / operating angle variable mechanism;
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a phase change of a valve lift characteristic by a phase variable mechanism.
FIG. 6 is a front view showing a variable compression ratio mechanism in this embodiment.
FIG. 7 is an operation explanatory diagram of a variable compression ratio mechanism.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing characteristics of a piston thrust load factor in the variable compression ratio mechanism.
FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of a turbocharger.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing compression ratio control characteristics.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing valve lift characteristics under typical operating conditions.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing, for example, control characteristics of intake valve closing timing with respect to a load.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing a comparison of characteristics such as friction loss with respect to a load.
14 is a characteristic diagram similar to FIG. 13 in the case of the reference example in which the actual compression ratio = the actual expansion ratio.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing an example of variable control of the actual compression ratio when both a lift / operating angle variable mechanism and a phase variable mechanism are provided.
FIG. 16 is a characteristic diagram showing an example of variable control of an actual compression ratio when only a phase variable mechanism is provided.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Variable valve mechanism 102 ... Variable compression ratio mechanism 104 ... Turbocharger 1 ... Lift / operating angle variable mechanism 2 ... Phase variable mechanism

Claims (8)

複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点が変化する可変圧縮比機構と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変制御可能な可変動弁機構と、を備え、運転条件に応じて圧縮比および吸気弁閉時期を制御する内燃機関の制御装置において、
上記可変圧縮比機構は、ピストンに連結された第1のリンクとシリンダ軸線とのなす角θが、圧縮行程後半よりも膨張行程前半において小さく、膨張行程前半において最小となるように、そのリンク構成が設定されており、
高圧縮比時に、上記角θが相対的に大きな圧縮行程後半におけるピストンスラスト荷重が、上記角θが最小となる膨張行程前半におけるピストンスラスト荷重と同等もしくはこれよりも小さくなるように、上記吸気弁閉時期を制御して、上記吸気弁閉時期によって定まる実圧縮比、排気弁開時期によって定まる実膨張比よりも小さくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
A variable compression ratio mechanism in which a piston top dead center is changed by moving a part of the link structure using a multi-link type piston-crank mechanism; a variable valve mechanism capable of variably controlling at least the closing timing of the intake valve; An internal combustion engine control device for controlling the compression ratio and the intake valve closing timing according to operating conditions,
The variable compression ratio mechanism has a link configuration so that the angle θ formed between the first link connected to the piston and the cylinder axis is smaller in the first half of the expansion stroke than in the second half of the compression stroke and is minimized in the first half of the expansion stroke. Is set,
The intake valve so that the piston thrust load in the latter half of the compression stroke when the angle θ is relatively large at the high compression ratio is equal to or smaller than the piston thrust load in the first half of the expansion stroke where the angle θ is minimized. by controlling the closing timing control apparatus for an internal combustion engine, characterized in that the actual compression ratio determined by the intake valve closing timing is smaller than the actual expansion ratio determined by the open exhaust valve timing.
過給機を備えており、
吸入行程におけるシリンダ内圧力が大気圧よりも高い過給領域では圧縮比を低く制御し、
吸入行程におけるシリンダ内圧力が大気圧よりも低い非過給領域において、圧縮比を高く制御するとともに、上記実圧縮比が上記実膨張比よりも小さくなるように、上記吸気弁閉時期を制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
Equipped with a turbocharger,
In the supercharging region where the cylinder pressure during the intake stroke is higher than atmospheric pressure, the compression ratio is controlled to be low,
In the non-supercharging region where the cylinder pressure in the intake stroke is lower than atmospheric pressure, the compression ratio is controlled to be high, and the intake valve closing timing is controlled so that the actual compression ratio is smaller than the actual expansion ratio. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1.
過給圧が高くなるほど上記圧縮比が低く制御されることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の制御装置。The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the compression ratio is controlled to be lower as the supercharging pressure becomes higher. 実圧縮比を小さくするために、吸気弁作動角をクランク角で180°以下にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも進角させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。The intake valve operating angle is set to 180 ° or less in crank angle in order to reduce the actual compression ratio, and the intake valve closing timing is advanced from the intake bottom dead center. A control device for an internal combustion engine according to claim 1. 実圧縮比を小さくするために、吸気弁作動角をクランク角で180°以上にするとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。The intake valve operating angle is set to 180 ° or more in crank angle in order to reduce the actual compression ratio, and the intake valve closing timing is retarded from the intake bottom dead center. A control device for an internal combustion engine according to claim 1. 上記可変動弁機構は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフトの中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、のいずれか一方もしくは双方の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。The variable valve mechanism includes a lift / operating angle variable mechanism that can continuously increase / decrease the lift / operating angle of the intake valve, and a phase variable mechanism that delays the phase of the central angle of the lift of the intake valve. The control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the control apparatus is configured by any one or a combination of both. 上記リフト・作動角可変機構は、駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸気弁のタペットを押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより吸気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の制御装置。The variable lift / operating angle mechanism includes an eccentric cam that is rotationally driven by a drive shaft, a link arm that is fitted to the outer periphery of the eccentric cam so as to be relatively rotatable, and an eccentric cam portion that is provided in parallel with the drive shaft. A pivotable control shaft comprising: a rocker arm that is rotatably mounted on an eccentric cam portion of the control shaft and is pivoted by the link arm; and is rotatably supported by the drive shaft, and A rocking cam connected to the rocker arm via a link, and rocking with the rocker arm to press the tappet of the intake valve, thereby changing the rotational position of the eccentric cam portion of the control shaft. 7. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the lift / operating angle of the intake valve is increased or decreased at the same time. 上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第1のリンクと、この第1のリンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第2のリンクと、上記第2のリンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第3のリンクと、を備え、上記第3のリンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで圧縮比の可変制御を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。The variable compression ratio mechanism includes a first link coupled to a piston via a piston pin, and is pivotably coupled to the first link and is rotatably coupled to a crankpin portion of a crankshaft. A fulcrum position of the third link with respect to the engine body, comprising: a second link; and a third link pivotably connected to the second link and supported by the engine body. The control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the compression ratio is variably controlled by changing.
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