JP4259546B2 - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、火花点火式内燃機関に関する。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine.
機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関中負荷運転時及び機関高負荷運転時には過給機による過給作用を行い、且つこれら機関中高負荷運転時においては実圧縮比を一定に保持した状態で機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比を増大すると共に吸気弁の閉弁時期を遅くするようにした火花点火式内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。 Equipped with a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve. A spark ignition type internal combustion engine that increases the mechanical compression ratio and delays the closing timing of the intake valve as the engine load decreases while the actual compression ratio is kept constant during the medium and high load operation. The engine is known (see, for example, Patent Document 1).
ところで、一般的に内燃機関では膨張比が大きくなればなるほど膨張行程時にピストンに対して押下げ力が作用する期間が長くなり、従って膨張比が大きくなるほど熱効率が向上する。従って、機関運転時における熱効率を向上させるためには機械圧縮比を可能な限り高くして膨張比を大きなものとすることが好ましい。 In general, in an internal combustion engine, the larger the expansion ratio, the longer the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke. Therefore, the greater the expansion ratio, the better the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, it is preferable to increase the mechanical compression ratio as much as possible to increase the expansion ratio.
ところが、このように膨張比を大きくすると、燃焼室内で発生した熱エネルギの多くが運動エネルギに変換されるため、排気ガスの温度が低くなる。また、これに伴って膨張行程末期における燃焼室内の排気ガスの圧力も低くなり、よって排気ガスは燃焼室から排出されにくくなる。このような傾向は、膨張比を20以上とした場合に特に顕著に現れる。 However, when the expansion ratio is increased in this way, most of the heat energy generated in the combustion chamber is converted into kinetic energy, so that the temperature of the exhaust gas is lowered. As a result, the pressure of the exhaust gas in the combustion chamber at the end of the expansion stroke is also lowered, so that the exhaust gas is hardly discharged from the combustion chamber. Such a tendency is particularly prominent when the expansion ratio is 20 or more.
一方、機関排気通路内に設けられる排気浄化触媒は一般的に或る温度以上にまで昇温されていないと良好な排気浄化作用を発揮することができない。このため、多くの内燃機関では機関本体から排出された排気ガスの熱により排気浄化触媒を高温に維持することとしている。 On the other hand, the exhaust purification catalyst provided in the engine exhaust passage generally cannot exhibit a good exhaust purification action unless the temperature is raised above a certain temperature. For this reason, in many internal combustion engines, the exhaust purification catalyst is maintained at a high temperature by the heat of the exhaust gas discharged from the engine body.
ところが、上述したように膨張比を大きくすると排気ガスの温度が低くなるため、単位流量当たりの排気ガスによって排気浄化触媒が昇温される温度が低くなる。また、膨張比を大きくすると排気ガスが燃焼室から排出されにくくなるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が少なくなる。このため、膨張比が大きい状態で内燃機関を運転させると、排気浄化触媒の温度を高温に維持するのが困難になる。 However, as described above, when the expansion ratio is increased, the temperature of the exhaust gas is lowered, so that the temperature at which the exhaust purification catalyst is heated by the exhaust gas per unit flow rate is lowered. Further, if the expansion ratio is increased, the exhaust gas is not easily discharged from the combustion chamber, so the flow rate of the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst is reduced. For this reason, when the internal combustion engine is operated with a large expansion ratio, it becomes difficult to maintain the temperature of the exhaust purification catalyst at a high temperature.
そこで、本発明の目的は、膨張比が大きい状態で内燃機関を運転させても、排気浄化触媒の温度を比較的高温に維持することができる火花点火式内燃機関を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a spark ignition type internal combustion engine that can maintain the temperature of the exhaust purification catalyst at a relatively high temperature even when the internal combustion engine is operated in a state where the expansion ratio is large.
上記課題を解決するために、第1の発明では、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構と、排気弁とを具備し、機関低負荷運転時には最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を最大にし、上記最大の膨張比が20以上であり、更に機関低負荷運転時において排気弁の閉弁時期を吸気上死点の前後10°以内とした、火花点火式内燃機関が提供される。 In order to solve the above problems, in the first invention, a variable compression ratio mechanism capable of changing a mechanical compression ratio, an actual compression action start timing changing mechanism capable of changing an actual compression action start time, an exhaust valve, comprising a, to maximize the mechanical compression ratio so that the maximum expansion ratio is obtained at the time of engine low load operation, and at the maximum expansion ratio is 20 or more, a further closing timing of the exhaust valve at the time of engine low load operation Provided is a spark ignition internal combustion engine within 10 ° before and after intake top dead center .
上記課題を解決するために、第2の発明では、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構と、排気弁の閉弁時期を変更可能な排気可変バルブタイミング機構とを具備し、機関低負荷運転時には最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を最大にし、上記最大の膨張比が20以上であり、機関低負荷運転時において排気弁の閉弁時期の設定可能な領域が機関高負荷運転時よりも吸気上死点側に制限された、火花点火式内燃機関が提供される。 In order to solve the above problems, in the second invention, a variable compression ratio mechanism capable of changing a mechanical compression ratio, an actual compression action start timing changing mechanism capable of changing an actual compression action start timing, an exhaust valve ; and a changeable exhaust variable valve timing mechanism the closing timing, to maximize the mechanical compression ratio so that the maximum expansion ratio is obtained at the time of engine low load operation, and at the maximum expansion ratio is 20 or more, the engine Provided is a spark ignition type internal combustion engine in which a region in which the valve closing timing of an exhaust valve can be set during low load operation is limited to the intake top dead center side than during engine high load operation.
第3の発明では、第2の発明において、機関低負荷運転時において排気弁の閉弁時期を吸気上死点の前後10°以内とした。
第4の発明では、第2の発明において、吸気弁の開弁時期を変更可能な吸気可変バルブタイミング機構を更に具備し、機関低負荷運転時に吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間が最小となるように排気弁の閉弁時期及び吸気弁の開弁時期が制御される。
第5の発明では、第2の発明において、吸気弁の開弁時期を変更可能な吸気可変バルブタイミング機構を更に具備し、機関低負荷運転時に吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間がゼロとなるように排気弁の閉弁時期及び吸気弁の開弁時期が制御される。
In the third invention, in the second invention, the closing timing of the exhaust valve is set to be within 10 ° before and after the intake top dead center at the time of engine low load operation.
According to a fourth invention, in the second invention, an intake variable valve timing mechanism capable of changing the opening timing of the intake valve is further provided, and the intake valve opening period and the exhaust valve opening period during engine low load operation. The valve closing timing of the exhaust valve and the valve opening timing of the intake valve are controlled so that the overlap period in which the valve overlaps is minimized.
According to a fifth invention, in the second invention, an intake variable valve timing mechanism capable of changing the valve opening timing of the intake valve is further provided, and the intake valve opening period and the exhaust valve opening period during engine low load operation. The valve closing timing of the exhaust valve and the valve opening timing of the intake valve are controlled so that the overlap period in which they overlap is zero.
第6の発明では、第1又は第2の発明において、吸気弁の開弁時期を変更可能な吸気弁開弁時期変更機構を更に具備し、機関低負荷運転時には吸気弁の開弁時期を吸気上死点の前後10°以内とした。
第7の発明では、第1又は第2の発明において、機関低負荷運転時における実圧縮比が機関中高負荷運転時と同じ実圧縮比とされる。
第8の発明では、第7の発明において、機関低回転時には機関負荷に関わらずに上記実圧縮比が9〜11の範囲内とされる。
第9の発明では、第8の発明において、機関回転数が高くなるほど上記実圧縮比が高くされる。
In the sixth invention, the intake air in the first or second aspect, further capable of changing the intake valve opening timing changing mechanism the opening timing of the intake valve comprises a valve opening timing of the intake valve at the time of engine low load operation Within 10 ° before and after top dead center .
In the seventh invention, in the first or second aspect of the invention, the actual compression ratio at the time of engine low load operation is an engine medium and high load operation and the same actual compression ratio.
According to an eighth aspect, in the seventh aspect, the actual compression ratio is within a range of 9 to 11 regardless of the engine load at the time of low engine speed.
In a ninth aspect, in the eighth aspect, the actual compression ratio is increased as the engine speed increases.
第10の発明では、第1又は第2の発明において、上記実圧縮作用開始時期変更機構が吸気弁の閉弁時期を変更可能な吸気可変バルブタイミング機構からなる。
第11の発明では、第10の発明において、燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御される。
第12の発明では、第11の発明において、吸気弁の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室に供給される吸入空気量を制御し得る限界閉弁時期まで吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる。
第13の発明では、第12の発明において、吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の高い領域では燃焼室内に供給される吸入空気量が機関吸気通路内に配置されたスロットル弁によらずに吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御される。
In a tenth aspect of the invention, in the first or second aspect of the invention, the actual compression action start timing changing mechanism comprises an intake variable valve timing mechanism capable of changing the closing timing of the intake valve.
In an eleventh aspect, in the tenth aspect, the amount of intake air supplied into the combustion chamber is controlled by changing the closing timing of the intake valve.
In the twelfth invention, in the eleventh invention, the closing timing of the intake valve is from the intake bottom dead center until the limit closing timing at which the amount of intake air supplied to the combustion chamber can be controlled as the engine load decreases. It can be moved away.
In a thirteenth aspect according to the twelfth aspect, in the twelfth aspect, the amount of intake air supplied into the combustion chamber is the engine intake air in a region where the load is higher than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing. It is controlled by changing the valve closing timing of the intake valve without depending on the throttle valve arranged in the passage.
第14の発明では、第13の発明において、吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の高い領域ではスロットル弁が全開状態に保持される。
第15の発明では、第12の発明において、吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では機関吸気通路内に配置されたスロットル弁によって燃焼室内に供給される吸入空気量が制御される。
第16の発明では、第12の発明において、吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では負荷が低くなるほど空燃比が大きくされる。
In a fourteenth aspect, in the thirteenth aspect, the throttle valve is kept fully open in a region where the load is higher than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing.
According to a fifteenth aspect, in the twelfth aspect, combustion is performed by a throttle valve disposed in the engine intake passage in a region where the load is lower than the engine load when the valve closing timing of the intake valve reaches the limit valve closing timing. The amount of intake air supplied into the room is controlled.
In a sixteenth aspect, in the twelfth aspect, the air-fuel ratio is increased as the load decreases in a region where the load is lower than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing.
第17の発明では、第12の発明において、吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に保持される。
第18の発明では、第1又は第2の発明において、上記機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて限界機械圧縮比まで増大せしめられる。
第19の発明では、第18の発明において、上記機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に保持される。
In a seventeenth aspect according to the twelfth aspect, in the twelfth aspect, in the region where the load is lower than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve is the limit closing timing. Retained.
In an eighteenth aspect based on the first or second aspect, the mechanical compression ratio is increased to a limit mechanical compression ratio as the engine load decreases.
In a nineteenth aspect, in the eighteenth aspect, the mechanical compression ratio is maintained at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio.
本発明によれば、できるだけ多くの排気ガスが燃焼室から排気浄化触媒へと排出されるため、膨張比が大きい状態で内燃機関を運転させても、排気浄化触媒の温度を比較的高温に維持することができる。 According to the present invention, as much exhaust gas as possible is discharged from the combustion chamber to the exhaust purification catalyst, so that the temperature of the exhaust purification catalyst is maintained at a relatively high temperature even when the internal combustion engine is operated with a large expansion ratio. can do.
図1に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
図1を参照すると、1はクランクケース、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は燃焼室5の頂面中央部に配置された点火プラグ、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート8は吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、各吸気枝管11にはそれぞれ対応する吸気ポート8内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁13が配置される。なお、燃料噴射弁13は各吸気枝管11に取付ける代りに各燃焼室5内に配置してもよい。
FIG. 1 shows a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is a crankcase, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug disposed at the center of the top surface of the
サージタンク12は吸気ダクト14を介して排気ターボチャージャ15のコンプレッサ15aの出口に連結され、コンプレッサ15aの入口は例えば熱線を用いた吸入空気量検出器16を介してエアクリーナ17に連結される。吸気ダクト14内にはアクチュエータ18によって駆動されるスロットル弁19が配置される。
The
一方、排気ポート10は排気マニホルド20を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン15bの入口に連結され、排気タービン15bの出口は排気管21を介して排気浄化触媒を内蔵した触媒コンバータ22に連結される。排気管21内には空燃比センサ23が配置される。
On the other hand, the
一方、図1に示した実施形態では、クランクケース1とシリンダブロック2との連結部にクランクケース1とシリンダブロック2のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更可能な可変圧縮比機構Aが設けられており、また実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁7の閉弁時期を制御可能であり且つ吸気弁7の開弁時期も個別に制御可能な吸気可変バルブタイミング機構Bが設けられており、更に排気弁7の開弁時期及び閉弁時期を個別に制御化能な排気可変バルブタイミング機構Cが設けられている。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。吸入空気量検出器16の出力信号および空燃比センサ23の出力信号はそれぞれ対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して点火プラグ6、燃料噴射弁13、スロットル弁駆動用アクチュエータ18、可変圧縮比機構Aおよび吸気可変バルブタイミング機構Bに接続される。
The
図2は図1に示す可変圧縮比機構Aの分解斜視図を示しており、図3は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図2を参照すると、シリンダブロック2の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部50が形成されており、各突出部50内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔51が形成されている。一方、クランクケース1の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部50の間に嵌合せしめられる複数個の突出部52が形成されており、これらの各突出部52内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔53が形成されている。
2 is an exploded perspective view of the variable compression ratio mechanism A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a side sectional view of the internal combustion engine schematically shown. Referring to FIG. 2, a plurality of projecting
図2に示したように一対のカムシャフト54,55が設けられており、各カムシャフト54,55上には一つおきに各カム挿入孔51内に回転可能に挿入される円形カム56が固定されている。これらの円形カム56は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム56間には図3においてハッチングで示すように各カムシャフト54,55の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸57が延びており、この偏心軸57上に別の円形カム58が偏心して回転可能に取付けられている。図2に示したようにこれら円形カム58は各円形カム56間に配置されており、これら円形カム58は対応する各カム挿入孔53内に回転可能に挿入されている。
As shown in FIG. 2, a pair of
図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55上に固定された円形カム56を図3(A)において実線の矢印で示したように互いに反対方向に回転させると偏心軸57が下方中央に向けて移動するために円形カム58がカム挿入孔53内において図3(A)の破線の矢印に示すように円形カム56とは反対方向に回転し、図3(B)に示したように偏心軸57が下方中央まで移動すると円形カム58の中心が偏心軸57の下方へ移動する。
When the
図3(A)と図3(B)とを比較するとわかるようにクランクケース1とシリンダブロック2の相対位置は円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離によって定まり、円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック2はクランクケース1から離れる。シリンダブロック2がクランクケース1から離れるとピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積は増大し、従って各カムシャフト54,55を回転させることによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更することができる。
3A and 3B, the relative positions of the
図2に示したように各カムシャフト54,55をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ59の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア61,62が取付けられており、これらウォームギア61,62と噛合する歯車63,64がそれぞれ各カムシャフト54,55の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ59を駆動することによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図1から図3に示した可変圧縮比機構Aは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。
As shown in FIG. 2, in order to rotate the
一方、図4は図1において吸気弁7を駆動するためのカムシャフト70に対して設けられている吸気可変バルブタイミング機構Bを示している。図4に示したように吸気可変バルブタイミング機構Bはカムシャフト70の一端に取付けられてカムシャフト70のカムの位相を変更するためのカム位相変更部B1と、カムシャフト70と吸気弁7のバルブリフタ24との間に配置されてカムシャフト70のカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁7に伝達するカム作用角変更部B2から構成されている。なお、カム作用角変更部B2については図4に側面断面図と平面図とが示されている。
On the other hand, FIG. 4 shows an intake variable valve timing mechanism B provided for the
まず初めに吸気可変バルブタイミング機構Bのカム位相変更部B1について説明すると、このカム位相変更部B1は機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ71と、タイミングプーリ71と一緒に回転する円筒状ハウジング72と、カムシャフト70と一緒に回転し且つ円筒状ハウジング72に対して相対回転可能な回転軸73と、円筒状ハウジング72の内周面から回転軸73の外周面まで延びる複数の仕切壁74と、各仕切壁74の間で回転軸73の外周面から円筒状ハウジング72の内周面まで延びるベーン75とを具備しており、各ベーン75の両側にはそれぞれ進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。
First, the cam phase changing unit B1 of the intake variable valve timing mechanism B will be described. The cam phase changing unit B1 is rotated by the crankshaft of the engine in the direction of the arrow through the timing belt, and the timing pulley 71. A
各油圧室76,77への作動油の供給制御は作動油供給制御弁78によって行われる。この作動油供給制御弁78は各油圧室76,77にそれぞれ連結された油圧ポート79,80と、油圧ポンプ81から吐出された作動油の供給ポート82と、一対のドレインポート83,84と、各ポート79,80,82,83,84間の連通遮断制御を行うスプール弁85とを具備している。
The hydraulic oil supply control to the
カムシャフト70のカムの位相を進角すべきときは図4においてスプール弁85が下方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート79を介して進角用油圧室76に供給されると共に遅角用油圧室77内の作動油がドレインポート84から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印X方向に相対回転せしめられる。
When the cam phase of the
これに対し、カムシャフト70のカムの位相を遅角すべきときは図4においてスプール弁85が上方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート80を介して遅角用油圧室77に供給されると共に進角用油圧室76内の作動油がドレインポート83から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印Xと反対方向に相対回転せしめられる。
On the other hand, when the cam phase of the
回転軸73が円筒状ハウジング72に対して相対回転せしめられているときにスプール弁85が図4に示した中立位置に戻されると回転軸73の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸73はそのときの相対回転位置に保持される。従ってカム位相変更部B1によってカムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。即ち、カム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に進角又は遅角させることができることになる。
If the
次に吸気可変バルブタイミング機構Bのカム作用角変更部B2について説明すると、このカム作用角変更部B2はカムシャフト70と平行に並列配置され且つアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられる制御ロッド90と、カムシャフト70のカム92と係合し且つ制御ロッド90上に形成された軸線方向に延びるスプライン93に摺動可能に嵌合せしめられている中間カム94と、吸気弁7を駆動するためにバルブリフタ24と係合し且つ制御ロッド90上に形成された螺旋状に延びるスプライン95に摺動可能に嵌合する揺動カム96とを具備しており、揺動カム96上にはカム97が形成されている。
Next, the cam working angle changing portion B2 of the intake variable valve timing mechanism B will be described. The cam working angle changing portion B2 is arranged in parallel with the
カムシャフト70が回転するとカム92によって中間カム94が常に一定の角度だけ揺動せしめられ、このとき揺動カム96も一定の角度だけ揺動せしめられる。一方、中間カム94及び揺動カム96は制御ロッド90の軸線方向には移動不能に支持されており、従って制御ロッド90がアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられたときに揺動カム96は中間カム94に対して相対回転せしめられることになる。
When the
中間カム94と揺動カム96との相対回転位置関係によりカムシャフト70のカム92が中間カム94と係合し始めたときに揺動カム96のカム97がバルブリフタ24と係合し始める場合には図5(B)においてaで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフトは最も大きくなる。これに対し、アクチュエータ91によって揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向に相対回転せしめられると、カムシャフト70のカム92が中間カム94に係合した後、暫らくしてから揺動カム96のカム97がバルブリフタ24と係合する。この場合には図5(B)においてbで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフト量はaに比べて小さくなる。
When the
揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向に更に相対回転せしめられると図5(B)においてcで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフト量は更に小さくなる。即ち、アクチュエータ91により中間カム94と揺動カム96の相対回転位置を変更することによって吸気弁7の開弁期間を任意に変えることができる。ただし、この場合、吸気弁7のリフト量は吸気弁7の開弁期間が短くなるほど小さくなる。
When the
このようにカム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に変更することができ、カム作用角変更部B2によって吸気弁7の開弁期間を任意に変更することができるのでカム位相変更部B1とカム作用角変更部B2との双方によって、即ち吸気可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁7の開弁時期と開弁期間とを、即ち吸気弁7の開弁時期と閉弁時期とを任意に変更することができることになる。
Thus, the cam phase changing unit B1 can arbitrarily change the valve opening timing of the
なお、図1および図4に示した吸気可変バルブタイミング機構Bは一例を示すものであって、図1および図4に示した例以外の種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。 The intake variable valve timing mechanism B shown in FIGS. 1 and 4 shows an example, and various types of variable valve timing mechanisms other than the examples shown in FIGS. 1 and 4 can be used.
また、排気可変バルブタイミング機構Cも、基本的に吸気可変バルブタイミング機構Bと同様な構成を有し、排気弁9の開弁時期と開弁期間とを、即ち排気弁9の開弁時期と閉弁時期とを任意に変更することができる。
The exhaust variable valve timing mechanism C has basically the same configuration as the intake variable valve timing mechanism B, and the opening timing and opening period of the
次に図6を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図6の(A),(B),(C)には説明のために燃焼室容積が50mlでピストンの行程容積が500mlであるエンジンが示されており、これら図6の(A),(B),(C)において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。 Next, the meanings of terms used in the present application will be described with reference to FIG. 6 (A), (B), and (C) show an engine having a combustion chamber volume of 50 ml and a piston stroke volume of 500 ml for the sake of explanation. , (B), (C), the combustion chamber volume represents the volume of the combustion chamber when the piston is located at the compression top dead center.
図6(A)は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(A)に示した例ではこの機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。 FIG. 6A explains the mechanical compression ratio. The mechanical compression ratio is a value mechanically determined only from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the compression stroke, and this mechanical compression ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6A, this mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.
図6(B)は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は(燃焼室容積+実際の行程容積)/燃焼室容積で表される。即ち、図6(B)に示したように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記のように表される。図6(B)に示した例では実圧縮比は(50ml+450ml)/50ml=10となる。 FIG. 6B describes the actual compression ratio. This actual compression ratio is a value determined from the actual piston stroke volume and the combustion chamber volume from when the compression action is actually started until the piston reaches top dead center, and this actual compression ratio is (combustion chamber volume + actual (Stroke volume) / combustion chamber volume. That is, as shown in FIG. 6B, even if the piston starts to rise in the compression stroke, the compression action is not performed while the intake valve is open, and the actual compression is performed from the time when the intake valve is closed. The action begins. Therefore, the actual compression ratio is expressed as described above using the actual stroke volume. In the example shown in FIG. 6B, the actual compression ratio is (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.
図6(C)は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(C)に示した例ではこの膨張比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。 FIG. 6C illustrates the expansion ratio. The expansion ratio is a value determined from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the expansion stroke, and this expansion ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6C, this expansion ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.
次に図7および図8を参照しつつ本発明において最も基本となっている特徴について説明する。なお、図7は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図8は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。 Next, the most basic features of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.
図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ圧縮下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図8(A)に示す例でも図6の(A),(B),(C)に示す例と同様に燃焼室容積が50mlとされ、ピストンの行程容積が500mlとされている。図8(A)からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11であり、実圧縮比もほぼ11であり、膨張比も(50ml+500ml)/50ml=11となる。即ち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。 FIG. 8A shows a normal cycle when the intake valve closes near the bottom dead center and the compression action by the piston is started from the vicinity of the compression bottom dead center. In the example shown in FIG. 8A, the combustion chamber volume is 50 ml, and the stroke volume of the piston is 500 ml, as in the examples shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C. As can be seen from FIG. 8A, in a normal cycle, the mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, the actual compression ratio is almost 11, and the expansion ratio is also (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. That is, in a normal internal combustion engine, the mechanical compression ratio, the actual compression ratio, and the expansion ratio are substantially equal.
図7における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも12程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。 The solid line in FIG. 7 shows the change in the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio and the expansion ratio are substantially equal, that is, in a normal cycle. In this case, it can be seen that the theoretical thermal efficiency increases as the expansion ratio increases, that is, as the actual compression ratio increases. Therefore, in order to increase the theoretical thermal efficiency in a normal cycle, it is only necessary to increase the actual compression ratio. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.
一方、このような状況下で本発明者は機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分して理論熱効率を高めることについて検討し、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことを見出したのである。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。 On the other hand, in this situation, the present inventor has studied to increase the theoretical thermal efficiency by strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio, and as a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the theoretical thermal efficiency It was found that the actual compression ratio has little effect. That is, if the actual compression ratio is increased, the explosive force is increased, but a large amount of energy is required for compression. Thus, even if the actual compression ratio is increased, the theoretical thermal efficiency is hardly increased.
これに対し、膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。従って膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図7の破線は実圧縮比を10に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図7の実線で示すように実圧縮比も膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。 On the other hand, when the expansion ratio is increased, the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke becomes longer, and thus the period during which the piston applies the rotational force to the crankshaft becomes longer. Therefore, the larger the expansion ratio, the higher the theoretical thermal efficiency. The broken line in FIG. 7 indicates the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased with the actual compression ratio fixed at 10. Thus, the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased while maintaining the actual compression ratio at a low value, and the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio is increased with the expansion ratio as shown by the solid line in FIG. It can be seen that there is no significant difference from the amount of increase.
このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、従って実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図8(B)は可変圧縮比機構A及び吸気可変バルブタイミング機構Bを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。 Thus, if the actual compression ratio is maintained at a low value, knocking does not occur. Therefore, if the expansion ratio is increased while the actual compression ratio is maintained at a low value, the theoretical thermal efficiency is reduced while preventing the occurrence of knocking. Can be greatly increased. FIG. 8B shows an example where the variable compression ratio mechanism A and the intake variable valve timing mechanism B are used to increase the expansion ratio while maintaining the actual compression ratio at a low value.
図8(B)を参照すると、この例では可変圧縮比機構Aにより燃焼室容積が50mlから20mlまで減少せしめられる。一方、吸気可変バルブタイミング機構Bによって実際のピストン行程容積が500mlから200mlになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は(20ml+200ml)/20ml=11となり、膨張比は(20ml+500ml)/20ml=26となる。図8(A)に示した通常のサイクルでは上述したように実圧縮比がほぼ11で膨張比が11であり、この場合に比べると図8(B)に示した場合には膨張比のみが26まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。 Referring to FIG. 8B, in this example, the variable compression ratio mechanism A reduces the combustion chamber volume from 50 ml to 20 ml. On the other hand, the intake valve closing timing is delayed by the intake variable valve timing mechanism B until the actual piston stroke volume is reduced from 500 ml to 200 ml. As a result, in this example, the actual compression ratio is (20 ml + 200 ml) / 20 ml = 11, and the expansion ratio is (20 ml + 500 ml) / 20 ml = 26. In the normal cycle shown in FIG. 8A, the actual compression ratio is almost 11 and the expansion ratio is 11 as described above. Compared to this case, only the expansion ratio is shown in FIG. 8B. It can be seen that it has been increased to 26. This is why it is called an ultra-high expansion ratio cycle.
上述したように一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って車両走行時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関低負荷運転時における熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示した超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室5内に吸入し得る吸入空気量は少なくなり、従ってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。従って本発明では機関低負荷運転時には図8(B)に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図8(A)に示す通常のサイクルとするようにしている。これが本発明の基本としている特徴である。
As described above, in general, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency when the vehicle is running, that is, to improve the fuel efficiency, the thermal efficiency during the engine low load operation is reduced. It is necessary to improve. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the
図9は機関回転数の低い定常運転時における運転制御全般について示している。以下この図9を参照しつつ運転制御全般について説明する。
図9には機関負荷に応じた機械圧縮比、膨張比、吸気弁7の閉弁時期、実圧縮比、吸入空気量、スロットル弁17の開度およびポンピング損失の各変化が示されている。なお、本実施形態では触媒コンバータ22内の三元触媒によって排気ガス中の未燃HC,COおよびNOxを同時に低減し得るように、通常、燃焼室5内における平均空燃比は空燃比センサ23の出力信号に基づいて理論空燃比にフィードバック制御されている。
FIG. 9 shows the overall operation control during steady operation at a low engine speed. The overall operation control will be described below with reference to FIG.
FIG. 9 shows changes in the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the closing timing of the
さて、上述したように機関高負荷運転時には図8(A)に示した通常のサイクルが実行される。従って図9に示したように、このときには機械圧縮比が低くされるために膨張比は低く、図9において実線で示したように吸気弁7の閉弁時期は早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁17の開度は全開又はほぼ全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。
As described above, the normal cycle shown in FIG. 8A is executed during engine high load operation. Therefore, as shown in FIG. 9, at this time, the mechanical compression ratio is lowered, so the expansion ratio is low, and the closing timing of the
一方、図9に示したように機関負荷が低くなるとそれに伴って機械圧縮比が増大され、従って膨張比も増大される。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図9において実線で示したように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期が遅くされる。なお、このときにもスロットル弁17は全開又はほぼ全開状態に保持されており、従って燃焼室5内に供給される吸入空気量はスロットル弁17によらずに吸気弁7の閉弁時期を変えることによって制御されている。このときにもポンピング損失は零となる。
On the other hand, as shown in FIG. 9, when the engine load is lowered, the mechanical compression ratio is increased accordingly, and thus the expansion ratio is also increased. Further, at this time, the valve closing timing of the
このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。即ち、吸入空気量の減少に比例してピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積が減少せしめられる。従ってピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき燃焼室5内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は燃料量に比例して変化していることになる。
As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the
機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機械圧縮比が燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。従って機関低負荷運転時には機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると本発明では機関低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。また、このとき実圧縮比は機関中高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比に維持される。
When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased. When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio that is the structural limit of the
一方、図9において実線で示したように吸気弁7の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれて燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御し得る限界閉弁時期まで遅らされ、吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域では吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁7の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御し得ないので他の何らかの方法によって吸入空気量を制御する必要がある。
On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 9, the closing timing of the
図9に示した実施形態ではこのとき、即ち吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域ではスロットル弁17によって燃焼室5内に供給される吸入空気量が制御される。ただし、スロットル弁17による吸入空気量の制御が行われると図9に示したようにポンピング損失が増大する。
In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L 2 when the closing timing of the
なお、このようなポンピング損失が発生しないように吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域ではスロットル弁17を全開又はほぼ全開に保持した状態で機関負荷が低くなるほど空燃比を大きくすることもできる。このときには燃料噴射弁13を燃焼室5内に配置して成層燃焼させることが好ましい。
In order to prevent such a pumping loss, the
図9に示したように機関低回転時には機関負荷にかかわらずに実圧縮比がほぼ一定に保持される。このときの実圧縮比は機関中高負荷運転時の実圧縮比に対してほぼ±10パーセントの範囲内とされ、好ましくは±5パーセントの範囲内とされる。なお、本実施形態では機関低回転時の実圧縮比はほぼ10±1、即ち、9から11の間とされる。ただし、機関回転数が高くなると燃焼室5内の混合気に乱れが発生するためにノッキングが発生しづらくなり、従って本発明による実施形態では機関回転数が高くなるほど実圧縮比が高くされる。
As shown in FIG. 9, the actual compression ratio is maintained substantially constant regardless of the engine load at the time of low engine speed. The actual compression ratio at this time is approximately within a range of ± 10%, preferably within a range of ± 5% with respect to the actual compression ratio at the time of engine medium and high load operation. In this embodiment, the actual compression ratio at the time of low engine rotation is approximately 10 ± 1, that is, between 9 and 11. However, when the engine speed increases, the air-fuel mixture in the
一方、上述したように図8(B)に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が26とされる。この膨張比は高いほど好ましいが20以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本発明では膨張比が20以上となるように可変圧縮比機構Aが形成されている。 On the other hand, as described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. This expansion ratio is preferably as high as possible, but if it is 20 or more, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.
また、図9に示した例では機械圧縮比は機関負荷に応じて連続的に変化せしめられている。しかしながら機械圧縮比は機関負荷に応じて段階的に変化させることもできる。 In the example shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is continuously changed according to the engine load. However, the mechanical compression ratio can be changed stepwise according to the engine load.
一方、図9において破線で示すように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁17によらずに吸入空気量を制御することができる。従って、図9において実線で示した場合と破線で示した場合とをいずれも包含し得るように表現すると、本実施形態では吸気弁7の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御し得る限界閉弁時期L2まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。
On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the
次に、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行される低負荷運転時に焦点を当てて排気弁9の閉弁時期について説明する。
一般に、超高膨張比サイクルが実行される低負荷運転時は燃焼室5内での混合気の燃焼による熱の発生量自体が少ないことから、燃焼室5から排出される排気ガスの温度が低くなり易い。これに加えて、内燃機関では膨張比が大きくなればなるほど膨張行程時にピストンに対して押下げ力が作用する期間が長くなるため、燃焼室内での混合気の燃焼によって生じた熱エネルギの多くがピストンの運動エネルギに変換され、これに伴って膨張行程末期における燃焼室5内の燃焼ガスの温度は低くなる。このため、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行されているときには排気行程時に燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスの温度は極めて低いものとなる。このような傾向は、膨張比を20以上とした場合に特に顕著に現れ、膨張比を20以上とした超高膨張比サイクルの実行時と膨張比を12程度とした通常のサイクルとでは燃焼室5から排出される排気ガスの温度が約100℃程度異なる。
Next, the closing timing of the
In general, during a low load operation in which an ultra-high expansion ratio cycle is performed, the amount of heat generated by combustion of the air-fuel mixture in the
一方、多くの内燃機関では排気ガス中に含まれる有害成分(例えば、HC、CO、NOX等)を浄化するため、機関排気通路内に酸化触媒、三元触媒、NOX吸蔵還元触媒等の排気浄化触媒が設けられている。このような排気浄化触媒は、その温度が活性温度以上にならないと排気ガス中の有害成分を効果的に浄化することができない。ここで、多くの内燃機関では排気ガスの温度が活性温度よりもかなり高いため、排気ガスを排気浄化触媒に流入させることによって排気浄化触媒の温度を活性温度以上に維持するようにしている。 On the other hand, in many internal combustion engines, in order to purify harmful components (for example, HC, CO, NO x, etc.) contained in the exhaust gas, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, a NO x storage reduction catalyst, etc. are disposed in the engine exhaust passage. An exhaust purification catalyst is provided. Such an exhaust purification catalyst cannot effectively purify harmful components in the exhaust gas unless the temperature becomes higher than the activation temperature. Here, in many internal combustion engines, since the temperature of the exhaust gas is considerably higher than the activation temperature, the temperature of the exhaust purification catalyst is maintained at or above the activation temperature by flowing the exhaust gas into the exhaust purification catalyst.
ところが、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行されると、燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスの温度は活性温度よりも僅かにしか高くならないことから、排気ガスを排気浄化触媒に流入させても排気浄化触媒の温度をその活性温度以上に維持することが困難となる。従って、超高膨張比サイクルが実行されているときに排気浄化触媒の温度をその活性温度以上に維持するためには、できるだけ多くの排気ガスを排気浄化触媒に流入させる必要がある。
However, when the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is executed, the temperature of the exhaust gas discharged from the
ここで、図10を参照して排気弁9の閉弁時期と燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスの流量との関係について考えてみる。図10(A)は排気弁9をほぼ吸気上死点において閉弁した場合、図10(B)は排気弁9を吸気上死点よりも早く閉弁した場合、図10(C)は排気弁9を吸気上死点よりも遅く閉弁した場合の排気弁9及び吸気弁7のリフト変化をそれぞれ示している。
Now, with reference to FIG. 10, consider the relationship between the closing timing of the
図10(B)に示したように、排気弁9を吸気上死点よりも早く閉弁した場合、排気弁9の閉弁時における燃焼室5の容積は、ピストンが吸気上死点に位置する場合の燃焼室の容積(燃焼室容積)よりも大きく、排気弁9の閉弁後には閉弁時の燃焼室5の容積に相当する排気ガスが燃焼室5内に残ることになる。このため、排気弁9の閉弁後にも比較的多くの排気ガスが燃焼室5内に残ることになり、よって燃焼室5内の排気ガスを十分に排気マニホルド20へと排出することができず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が少ないものとなる。
As shown in FIG. 10B, when the
一方、図10(C)に示したように、排気弁9を吸気上死点よりも遅く閉弁した場合、吸気上死点においても排気弁9が開かれていることから、ピストン4が吸気上死点に到達したときに燃焼室5内の排気ガスのほとんどは排気ポート10内に流出する。ところが、吸気上死点以降においても排気弁9が開かれていると、ピストン4の下降に伴って、一旦排気ポート10内へ流出した排気ガスの一部が再び燃焼室5内に流入してしまう。
On the other hand, as shown in FIG. 10C, when the
特に、超高膨張比サイクルが実行されているときには、膨張行程時において燃焼室5内の燃焼ガスがかなり膨張することから、膨張行程末期における燃焼ガスの圧力は比較的低い。このため、排気行程において燃焼室5から排気ポート10に流出する排気ガスの勢いは弱く、よって吸気上死点到達後にピストン4が下降すると一旦排気ポート10へ流出した排気ガスの一部が再び燃焼室5内に流入し易くなる。
In particular, when the ultra-high expansion ratio cycle is being executed, the combustion gas in the
このように、排気弁9を吸気上死点よりも遅く閉弁した場合には、一旦排気ポート10に流出した排気ガスが再び燃焼室5内に戻ってくるため、燃焼室内5の排気ガスを十分に排気マニホルド20へと排出することができず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が少ないものとなる。
As described above, when the
そこで、本実施形態では、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行されるとき、すなわち機械圧縮比が高いときには、排気弁9の閉弁時期が吸気上死点よりも早過ぎたり遅過ぎたりすることのないように、排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域を吸気上死点側に制限することとしている。
Therefore, in this embodiment, when the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is executed, that is, when the mechanical compression ratio is high, the closing timing of the
図11は、機械圧縮比に応じた排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域を示す図である。図11に示したように、排気弁9の設定可能な領域は設定可能な最大進角量と最大遅角量との間の領域となっている。図から分かるように、排気弁9の閉弁時期の設定可能な最大進角量は機械圧縮比が高くなるほど小さく(遅く)され、逆に排気弁9の閉弁時期の設定可能な最大遅角量は機械圧縮比が高くなるほど小さく(早く)される。このため、排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域は、機械圧縮比が高くなるほど小さく、すなわち機械圧縮比が高くなるほど制限されている。例えば、図11に示したように、機械圧縮比が低いときには排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域はΔTOC1であるのに対して機械圧縮比が高いときには排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域はΔTOC2(ΔTOC2<ΔTOC1)とされる。
FIG. 11 is a diagram showing a region in which the valve closing timing of the
或いは、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行されるとき、すなわち機械圧縮比が高いときには、排気弁9の閉弁時期が吸気上死点よりも早過ぎたり遅過ぎたりすることを確実に防止すべく、図10(A)に示したように排気弁9の閉弁時期をほぼ吸気上死点にするようにしてもよい。
Alternatively, when the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is executed, that is, when the mechanical compression ratio is high, the closing timing of the
このように、機械圧縮比が高いときには排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域を吸気上死点側に制限したり、或いは排気弁9の閉弁時期をほぼ吸気上死点にしたりすることにより、燃焼室5内の排気ガスを十分に排気マニホルド20へと排出して、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量を多いものとすることができる。
As described above, when the mechanical compression ratio is high, the region where the closing timing of the
すなわち、排気弁9は吸気上死点付近で閉弁せしめられるため、図10(B)に示したように排気弁9を吸気上死点よりも早く閉弁した場合に比べて、排気弁9の閉弁時における燃焼室5の容積が小さく、よって排気弁9の閉弁後に燃焼室5内に残る排気ガスの量を少なくすることができる。また、排気弁9が吸気上死点付近で閉弁せしめられるため、図10(C)に示したように排気弁9を吸気上死点よりも遅く閉弁した場合に比べて、排気ポート10内へ流出した排気ガスのうち燃焼室5内に再び流入する排気ガスの量を少なくすることができる。このため、図10(A)に示したように排気弁9が吸気上死点付近で閉弁させた場合には、図10(B)及び(C)に示したように排気弁9を吸気上死点から離れて閉弁させた場合に比べて、燃焼室5内の排気ガスを十分に排気マニホルド20へと排出して、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量を多いものとすることができる。その結果、超高膨張比サイクルが実行される低負荷運転時においても排気浄化触媒を活性温度以上に維持することができるようになる。
That is, since the
なお、上記「ほぼ吸気上死点」との記載は、吸気上死点の前後約10°以内、好ましくは吸気上死点の前後約5°以内を示している。 Note that the description of “substantially intake top dead center” indicates within about 10 ° before and after the intake top dead center, preferably within about 5 ° before and after the intake top dead center.
また、機械圧縮比を高くすると吸気上死点における燃焼室容積が小さくなり、斯くして排気弁9の閉弁時期によっては排気弁9がピストン4と干渉してしまう。
Further, when the mechanical compression ratio is increased, the combustion chamber volume at the intake top dead center is reduced, and thus the
図10には排気弁9又は吸気弁7がピストン4と干渉する限界を示すピストン干渉ラインが示されており、排気弁9のリフト曲線がピストン干渉ラインと交錯すると排気弁9はピストン4と干渉することになる。ここで、図10(C)では、排気弁9のリフト曲線がピストン干渉ラインと交錯している。このことは、排気弁9を吸気上死点よりも遅く閉弁した場合、遅くした程度にもよるが、排気弁9とピストン4とが干渉してしまうことを意味している。
FIG. 10 shows a piston interference line indicating the limit at which the
これに対して、本実施形態によれば、機械圧縮比が高いときには排気弁9の閉弁時期の設定可能な領域が吸気上死点側に制限され、特に排気弁9の閉弁時期の設定可能な最大遅角量が小さくされる。このため、図10(A)に示したように、機械圧縮比が高くなっても排気弁9がピストン4と干渉するのが防止される。
On the other hand, according to this embodiment, when the mechanical compression ratio is high, the region where the closing timing of the
ところで、吸気弁7の開弁期間と排気弁9の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップがある場合、その期間に応じても燃焼室5内から排気マニホルド20へと排出される排気ガスの量が変化する。以下、図12を参照して吸気弁7の開弁期間と排気弁9の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間と燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスの量との関係について考える。図12(A)はオーバーラップ期間がゼロである場合、図12(B)はオーバーラップ期間が大きい場合の排気弁9及び吸気弁7のリフト変化をそれぞれ示している。
By the way, when there is a valve overlap in which the valve opening period of the
一般に吸気弁7と排気弁9とが同時に開いていると、燃焼室5内の排気ガスの一部や一旦燃焼室5から排気ポート10へ流出した排気ガスの一部が吸気ポート8内に流入することがある。このように、排気ガスの一部が吸気ポート8内に流入すると、その分だけ燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスが少なくなる。
In general, when the
従って、図12(B)に示したようにオーバーラップ期間が大きい場合には、排気ガスが吸気ポート8内へ多量に流入することが多く、よって燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスが少なくなることが多い。このため、このような場合には、排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が少なくなる。
Accordingly, when the overlap period is long as shown in FIG. 12B, a large amount of exhaust gas often flows into the
そこで、本実施形態では、図8(B)に示した超高膨張比サイクルが実行されるとき、すなわち機械圧縮比が高いときには、図12(A)に示したようにオーバーラップ期間が設定可能な範囲のうち最小になるように排気弁7の閉弁時期及び吸気弁9の開弁時期を制御することとしている。従って、例えば、設定可能なオーバーラップ期間が10°〜60°となっている内燃機関では機械圧縮比が高いときにはオーバーラップ期間が10°とされ、設定可能なオーバーラップ期間が0°〜50°となっている内燃機関では機械圧縮比が高いときにはオーバーラップ期間は0°とされる。
Therefore, in this embodiment, when the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is executed, that is, when the mechanical compression ratio is high, the overlap period can be set as shown in FIG. The valve closing timing of the
このように、機械圧縮比が高いときにオーバーラップ期間を最小とすることにより、吸気ポート8内へ流入する排気ガスが少なくなるため、燃焼室5から排気マニホルド20へと排出される排気ガスは多くなり、よって排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量が多くなる。
Thus, by minimizing the overlap period when the mechanical compression ratio is high, the exhaust gas flowing into the
なお、機械圧縮比が高いときのオーバーラップ期間は、機械圧縮比が低いときのオーバーラップ期間よりも短ければ必ずしも最小でなくてもよい。従って、例えば、機械圧縮比が高いときのオーバーラップ期間は、設定可能な範囲のうち最小でなくても10°以下であればよい。 The overlap period when the mechanical compression ratio is high may not necessarily be the minimum as long as it is shorter than the overlap period when the mechanical compression ratio is low. Therefore, for example, the overlap period when the mechanical compression ratio is high may be 10 ° or less even if it is not the minimum in the settable range.
また、上述したように機械圧縮比を高くすると吸気上死点における燃焼室容積が小さくなり、斯くして吸気弁7の開弁時期によっては吸気弁7がピストン4と干渉してしまう。
Further, as described above, when the mechanical compression ratio is increased, the combustion chamber volume at the intake top dead center is reduced. Therefore, the
図12には排気弁9又は吸気弁7がピストン4と干渉する限界を示すピストン干渉ラインが示されており、吸気弁7のリフト曲線がピストン干渉ラインと交錯すると吸気弁7はピストン4と干渉することになる。ここで、図12(B)では、吸気弁7のリフト曲線がピストン干渉ラインと交錯している。このことは、オーバーラップ期間を大きくすると、吸気弁7とピストン4とが干渉してしまうことを意味している。すなわち、本実施形態では、上述したように排気弁9の閉弁時期がほぼ吸気上死点とされるため、オーバーラップ期間が大きいことは吸気弁7の開弁時期が大きく進角せしめられることを意味する。このように吸気弁7の開弁時期が大きく進角せしめられると、吸気弁7とピストン4とが干渉してしまうことになる。
FIG. 12 shows a piston interference line indicating the limit at which the
これに対して、本実施形態によれば、機械圧縮比が高いときにはオーバーラップ期間が最小とされるため、吸気弁7の開弁時期がほぼ吸気上死点又はそれ以降とされる。このため、図12(A)に示したように、機械圧縮比が高くなっても吸気弁7がピストンと干渉するのが防止される。
On the other hand, according to the present embodiment, when the mechanical compression ratio is high, the overlap period is minimized, so that the valve opening timing of the
図13に、本実施形態の火花点火式内燃機関の運転制御の制御ルーチンを示す。図13を参照するとまず初めにステップ101において機関負荷L及び機関回転数Neが取得される。次いで、ステップ102において図14(A)に示すマップから目標実圧縮比が算出される。図14(A)に示したようにこの目標実圧縮比は機関回転数Neが高くなるほど高くなる。次いで、ステップ103では図14(B)に示したマップから機械圧縮比CRが算出される。即ち、実圧縮比を目標実圧縮比とするのに必要な機械圧縮比CRが機関負荷L及び機関回転数Neの関数として図14(B)に示したようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから機械圧縮比CRが算出される。
FIG. 13 shows a control routine for operation control of the spark ignition type internal combustion engine of the present embodiment. Referring to FIG. 13, first, at
更に、要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期ICが機関負荷L及び機関回転数Neの関数として図14(C)に示したようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。ステップ104では、このマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。
Further, the valve closing timing IC of the
次いで、ステップ105では、機関負荷Lが所定値L3よりも小さいか否かが判定される。ここで、所定値L3は、例えば、それ以上機関負荷が小さくなると排気ガスの温度の低下に伴って排気浄化触媒の温度がその活性温度以下に低下してしまう可能性が有る機関負荷に等しい値とされる。ステップ105において、機関負荷Lが所定値L3よりも小さいと判定された場合にはステップ106へと進む。ステップ106では排気弁9の閉弁時期ECがほぼ吸気上死点とされ、次いでステップ107ではオーバーラップ期間ΔOLが最小とされ、ステップ110へと進む。
Then, in
一方、ステップ105において、機関負荷が所定値L3以上であると判定された場合にはステップ108へと進む。ステップ108では図15(A)に示したマップから排気弁9の閉弁時期ECが算出され、次いでステップ109では図15(B)に示したマップからオーバーラップ期間ΔOLが算出される。即ち、排気弁9の閉弁時期EC及びオーバーラップ期間ΔOLが機関負荷L及び機関回転数Neの関数として図15(A)、(B)に示したようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから排気弁9の閉弁時期EC及びオーバーラップ期間ΔOLが算出される。その後、ステップ110へと進む。
On the other hand, if it is determined in
ステップ110では、機械圧縮比が機械圧縮比CRとなるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期ICとなるように且つオーバーラップ期間がオーバーラップ期間ΔOLとなるように吸気可変バルブタイミング機構Bが制御される。更に、排気弁9の閉弁時期が閉弁時期ECとなるように排気可変バルブタイミング機構Cが制御される。
In
1 クランクケース
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 燃焼室
7 吸気弁
9 排気弁
A 可変圧縮比機構
B 吸気可変バルブタイミング機構
C 排気可変バルブタイミング機構
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