JP4397246B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関に関する。
近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的として、燃焼室の容積を変化させることによってその圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関が開発されている。
また、ピストンのストローク量を可変制御することで圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関において、ピストンのストローク量を小さい側に設定したときには、エンジン冷却水の循環量を減らす技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このような制御を行うことによって冷却損失を低減することが出来る。
また、インナピストンとアウタピストンとによってピストンが構成され、インナピストンとアウタピストンとの間に圧油を供給することで圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関が開発されている。このような可変圧縮比内燃機関においては、インナピストンとアウタピストンとの間に圧油を供給および排出することでピストンを冷却する技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2003−129817号公報 特開昭63−186926号公報 特開昭63−195340号公報 特開昭63−302150号公報 特開2003−206771号公報
可変圧縮比内燃機関では、例えば、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動させたり、あるいは、コンロッドを折り曲げることによってピストンのストローク量を変化させたりすることで、燃焼室の容積が、低圧縮比時には増加され高圧縮比時には減少される。
そのため、高圧縮比時は、燃焼室のボア壁面に占める割合が低圧縮比時に比べて小さくなる。その結果、高圧縮比時は、ボア壁面からの放熱量が少なくなり、燃焼室の温度が上昇し易くなる。特に、高圧縮比の状態で、可変圧縮比内燃機関の機関負荷が高くなると燃焼室が過昇温し、ノック等の問題が発生する虞がある。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関において、燃焼室の過昇温を抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転を可能とすることで、燃費性能や出力性能などをより向上させることが可能な技術を提供することを課題とする。
本発明は、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関において、高圧縮比であって且つ高負荷のときには、該可変圧縮比内燃機関を冷却する冷却能力を増大させるものである。
より詳しくは、本発明に係る可変圧縮比内燃機関は、
燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関において、
該可変圧縮比内燃機関を冷却する冷却手段と、
高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が規定値以上の場合、前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が該規定値より低いときよりも前記冷却手段の冷却能力を増大させる冷却能力増大手段と、
を備えることを特徴とする。
ここで、規定値とは、高圧縮比時に燃焼室が過昇温する虞がある機関負荷であって、実験等によって予め定められた値であってもよい。尚、この規定値は固定値あってもよく、また圧縮比の値に応じて変化する値であってもよい。
本発明によれば、高圧縮比時に機関負荷が高くなると、機関負荷が低いときよりも可変圧縮比内燃機関(以下、単に内燃機関と称する。)を冷却する冷却能力が増大される。そのため、燃焼室の温度上昇が抑制される。従って、内燃機関において、燃焼室の過昇温を抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となる。
本発明において、前記冷却手段が、内燃機関に熱媒体を供給する熱媒体供給手段を有している場合、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって内燃機関の機関負荷が規定値以上のときには、熱媒体供給手段によって内燃機関に供給される熱媒体の量を増加させることで、冷却手段の冷却能力を増大させてもよい。
内燃機関に供給される熱媒体の量が増加すれば、該熱媒体による内燃機関の冷却効果が向上する。即ち、冷却手段の冷却能力が増大される。
このとき、前記熱媒体供給手段は、内燃機関を通って熱媒体が循環する熱媒体循環通路と、該熱媒体循環通路に熱媒体を圧送する圧送手段と、を有してもよい。さらに、前記冷却能力増大手段は、前記圧送手段による単位時間あたりの熱媒体の圧送量を変更する圧送量変更手段を有してもよい。このような場合、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって内燃機関の機関負荷が規定値以上のときには、前記圧送量変更手段によって、前記圧送手段による単位時間あたりの熱媒体の圧送量を増加させる。
圧送手段による単位時間あたりの熱媒体の圧送量を増加させることによって、内燃機関に供給される単位時間当たりの熱媒体の量を増加させることが出来る
また、本発明において、前記冷却手段が、内燃機関に熱媒体を供給する熱媒体供給手段を有している場合、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって内燃機関の機関負荷が規定値以上のときには、熱媒体供給手段によって内燃機関に供給される熱媒体の温度を低下させることで、冷却手段の冷却能力を増大させてもよい。
内燃機関に供給される熱媒体の温度が低下すれば、該熱媒体による内燃機関の冷却効果が向上する。即ち、冷却手段の冷却能力が増大される。
このとき、前記熱媒体供給手段は、内燃機関を通って熱媒体が循環する熱媒体循環通路を有してもよい。さらに、前記冷却能力増大手段は、ラジエータと、該ラジエータと前記熱媒体循環通路とを連通する連通路と、該連通路に設けられ、該連通路を開通または遮断する連通切換弁と、前記熱媒体循環通路を流れる熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、該記温度検出手段によって検出された熱媒体の温度が設定温度以上となったときは、前記連通切換弁を開弁し前記連通路を開通させることで前記可変圧縮比内燃機関と前記ラジ
エータとを通して熱媒体を循環させる弁開閉制御手段と、前記設定温度を変更する設定温度変更手段と、を有してもよい。このような場合、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって内燃機関の機関負荷が規定値以上のときには、前記設定温度変更手段によって前記設定温度を低下させる。
前記設定温度を低下させることによって、熱媒体がより低い温度であるときに該熱媒体がラジエータを通って循環するようになる。その結果、内燃機関に供給される熱媒体の温度を低下させることが出来る。
尚、従来、内燃機関において、圧縮比を高圧縮比とするのは低負荷運転時である場合が多く、このような場合は、燃焼室が過昇温する可能性は低い。しかしながら、内燃機関の燃費性能や出力性能等の向上のために、より高負荷でも高圧縮比とするのが好ましい。
また、内燃機関が高回転で運転されているときは、気筒内において吸気の流れが乱れ易く混合気が略均一に分布し易くなり、また、燃焼サイクルの1サイクルの時間が短くなる。そのため、機関回転数が高いときは低いときに比べて燃焼室の温度は上昇しにくくなる。従って、高負荷運転時に高圧縮比とするのは、内燃機関が高回転で運転されているときとしてもよい。このような場合においても、本発明に係る制御を実行することで、燃焼室の過昇温をより確実に抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となる。
本発明に係る可変圧縮比内燃機関によれば、燃焼室の過昇温を抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となり、以て、燃費性能や出力性能などをより向上させることが出来る。
以下、本発明に係る可変圧縮比内燃機関の具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。
<可変圧縮比内燃機関の概略構成>
先ず、本発明に係る可変圧縮比内燃機関の実施例1について説明する。図1は、本実施例に係る可変圧縮比内燃機関の概略構成を示す図である。
可変圧縮比内燃機関1(以下、単に内燃機関1と称する)は、気筒5を有するシリンダブロック2、および、シリンダブロック2の上方に設けられたシリンダヘッド4、コンロッドおよびクランクシャフトを介してピストン6が連結されたロアケース3を備えている。そして、圧縮比可変機構8によって、シリンダブロック2をロアケース3に対して気筒5の軸方向に移動させることで燃焼室7の容積を変化させて圧縮比を変更する。
圧縮比可変機構8は、図1における、シリンダブロック2の左右両側の下部に設けられたカム収納孔9と、ロアケース3の左右両側の上部に設けられた軸受収納孔10とを有している。そして、左右両側それぞれのカム収納孔9と軸受収納孔10とにはカム軸11が挿通されている。この左右両側のカム軸11がそれぞれモータ24によって駆動され回転することによって、シリンダブロック2がロアケース3に対して気筒5の軸方向に移動する。このとき、シリンダヘッド4もシリンダブロック2と一体的に移動する。尚、この圧縮比可変機構8の詳細については、特開2003−206771号公報に開示されている。
シリンダヘッド4には、気筒5内の燃焼室7に開口するように形成された吸気ポート1
2と排気ポート13とが設けられている。吸気ポート12は吸気通路14と接続されており、排気ポート13は排気通路15と接続されている。吸気ポート12及び排気ポート13の燃焼室7への開口部は、それぞれ吸気弁16と排気弁17とによって開閉される。
吸気ポート12には燃料噴射弁20が配置されており、燃焼室7には、該燃焼室7内にて形成される混合気に点火する点火栓21が配置されている。また、シリンダヘッド4およびシリンダブロック2には、冷却水が流通するウォータージャケット18が形成されている。
また、内燃機関1には、圧縮比可変機構8のカム軸11の回転角に対応した電気信号を出力するカムポジションセンサ31や、アクセル開度に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ33、ロアケース3に設けられピストン6が連結されたクランクシャフトの回転角に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ34、ウォータージャケット18内を流通する冷却水の温度に対応した電気信号を出力する水温センサ35等の各種センサが設けられている。
さらに内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU)30が併設されている。このECU30は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態等を制御するユニットである。ECU30には、カムポジションセンサ31やアクセル開度センサ33、クランクポジションセンサ34、水温センサ35等の各種センサが電気配線を介して接続されており、これらの出力信号がECU30に入力されるようになっている。そして、ECU30は、アクセル開度センサ33の検出値から内燃機関1の機関負荷を導出し、クランクポジションセンサ34の検出値から内燃機関1の機関回転数を導出する。
また、ECU30には、燃料噴射弁20や、点火栓21、モータ24等が電気的に接続されており、これらを制御することが可能となっている。そして、ECU30は、モータ24によってカム軸11の回転を制御することで燃焼室7の容積を変化させ、それによって内燃機関1の圧縮比を変更する。このとき、ECU30は、カムポジションセンサ31の出力値から圧縮比を導出する。
<冷却水循環系の概略構成>
次に、本実施例に係る内燃機関の冷却水循環系の概略構成について図2に基づいて説明する。図2は、本実施例に係る内燃機関1の冷却水循環系の概略構成を示す図である。
内燃機関1のウォータージャケット18の一端には、第1冷却水路41の一端が接続されている。この第1冷却水路41の他端は、機関関連装置43の一端に接続されている。機関関連装置43としては、冷却水が貯留される冷却水タンクや、車室内ヒータのヒータコア等が例示出来る。また、内燃機関1のウォータージャケット18の他端には、第2冷却水路42の一端が接続されている。この第2冷却水路42の他端は、機関関連装置43の他端に接続されている。
第1冷却水路41の途中には、機関関連装置43側から内燃機関1側に冷却水を圧送するウォーターポンプ44が設けられている。このウォーターポンプ44は、ECU30と電気的に接続されており、ECU30によって単位時間あたりの冷却水の圧送量を変更することが可能となっている。
このように、本実施例に係る冷却水循環系では、ウォータージャケット18と、第1冷却水路41、第2冷却水路42、機関関連装置43を通って冷却水が循環する第1冷却水循環通路45が形成される。この第1冷却水循環通路45を冷却水が循環することで内燃
機関1が冷却される。
<圧縮比変更時の燃焼室>
ここで、内燃機関1において、圧縮比を変更したときの燃焼室7の状態について図3に基づいて説明する。図3の(a)は、高圧縮比時の燃焼室7の状態を示す図であり、図3の(b)は低圧縮比時の燃焼室7の状態を示す図である。
内燃機関1では、圧縮比可変機構8によって、図3の(a)に示すように、シリンダブロック2をロアケース3に近づけることで、燃焼室7の容積を減少させ圧縮比を上昇させる。一方、図3の(b)に示すように、シリンダブロック2をロアケース3から遠ざけることによって、燃焼室7の容積を増加させ圧縮比を低下させる。
そのため、高圧縮比時は、燃焼室7のボア壁面に占める割合が低圧縮比時に比べて小さくなる。その結果、高圧縮比時は、ボア壁面からの放熱量が少なくなり、燃焼室7の温度が上昇し易くなる。特に、高圧縮比の状態で、内燃機関1の機関負荷が高くなると燃焼室7が過昇温し、ノック等の問題が発生する虞がある。
<ウォーターポンプ冷却水圧送量制御>
そこで、本実施例では、高圧縮比時に内燃機関1の機関負荷が高くなった場合、該内燃機関1を冷却する冷却能力を増大させるべく、ウォーターポンプ44による単位時間当たりの冷却水の圧送量を増加させる。以下、本実施例に係るウォーターポンプ44の単位時間当たりの冷却水圧送量制御ルーチンについて図4に示すフローチャート図に基づいて説明する。本ルーチンは、ECU30に予め記憶されており、内燃機関1の運転中、規定時間毎に繰り返される。
本ルーチンでは、先ず、S101において、ECU30は、内燃機関1の圧縮比が高圧縮比であるか否かを判別する。このS101において、肯定判定された場合、ECU30はS102に進む。一方、S101において、否定判定された場合、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
S102において、ECU30は、内燃機関1の機関負荷が規定値Q以上であるか否かを判別する。ここで、規定値Qとは、高圧縮比時に燃焼室7が過昇温する虞がある機関負荷であって、実験等によって予め定められた値であってもよい。尚、この規定値Qは固定値あってもよく、また圧縮比の値に応じて変化する値であってもよい。S102において、肯定判定された場合、ECU30はS103に進む。一方、S102において、否定判定された場合、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
S103において、ECU30は、ウォーターポンプ44による単位時間当たりの冷却水の圧送量を、内燃機関1の機関負荷が規定値Qより低いときよりも増加させ、その後、本ルーチンを一旦終了する。
以上のような制御においては、高圧縮比時に内燃機関1の機関負荷が規定値Qより高い場合は、内燃機関1(ウォータージャケット18)を流通する単位時間当たりの冷却水の量が増加することになる。従って、該冷却水による内燃機関1の冷却効果が向上する。
即ち、本実施例によれば、高圧縮比時であって内燃機関1の機関負荷が高い場合、機関負荷が低い場合よりも該内燃機関1を冷却する冷却能力が増大されるため、燃焼室7の温度上昇が抑制される。そのため、該燃焼室7の過昇温を抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となり、以て、内燃機関1の燃費性能や出力性能などをより向上させることが出来る。
次に、本発明に係る可変圧縮比内燃機関の実施例2について説明する。本実施例に係る可変圧縮比内燃機関の概略構成(図1参照)及び圧縮比変更時の燃焼室の状態(図3参照)は上述した実施例1と同様であるため、その説明を省略する。
<冷却水循環系の概略構成>
ここで、本実施例に係る内燃機関の冷却水循環系の概略構成について図5に基づいて説明する。図5は、本実施例に係る内燃機関1の冷却水循環系の概略構成を示す図である。尚、上述した実施例1と同様の構成については同様の参照番号を付しその説明を省略する。
本実施例では、内燃機関1にラジエータ46が併設されている。そして、機関関連装置43とウォーターポンプ44との間の第1冷却水路41と、ラジエータ46の一端とは第1連通路47によって互いに連通されている。また、第2冷却水路42とラジエータ46の他端とは第2連通路48によって互いに連通されている。
第2冷却水路42と第2連通路48との接続箇所には、該第2冷却水路42と該第2連通路48との間を開通または遮断する連通切換弁49が設けられている。この連通切換弁49は、ECU30と電気的に接続されている。
そして、ECU30は、水温センサ35によって検出された冷却水の温度が設定温度Tc以上となったときに、連通切換弁49を開弁し第2冷却水路42と第2連通路48との間を開通させる。一方、ECU30は、水温センサ35によって検出された冷却水の温度が設定温度Tcより低くなったときは、連通切換弁49を閉弁し第2冷却水路42と第2連通路48との間を遮断させる。ここで、設定温度Tcは、ECU30によって変更可能となっている。
本実施例に係る冷却水循環系では、ECU30によって、連通切換弁49が開弁され第2冷却水路42と第2連通路48との間が開通されると、ウォータージャケット18と、ラジエータ46、第1冷却水路41の一部、第2冷却水路42の一部、第1連通路47、第2連通路48を通って冷却水が循環する第2冷却水循環通路50が形成される。この第2冷却水循環通路50を冷却水が循環するとラジエータ46にて該冷却水の温度が低下される。
<連通切換弁開閉制御>
本実施例では、高圧縮比時に内燃機関1の機関負荷が高くなった場合、該内燃機関1を冷却する冷却能力を増大させるべく、連通切換弁49の開閉を切り換える閾値である前記設定温度Tcを低下させる。以下、本実施例に係る連通切換弁49の開閉制御ルーチンについて図6に示すフローチャート図に基づいて説明する。本ルーチンは、ECU30に予め記憶されており、内燃機関1の運転中、規定時間毎に繰り返される。尚、本ルーチンにおけるS101及びS102は上述した実施例1と同様であるためその説明を省略し、実施例1と異なるS203についてのみ説明する。
本ルーチンでは、S102において肯定判定された場合、ECU30はS203に進む。
S203において、ECU30は、前記設定温度Tcを、内燃機関1の機関負荷が規定値Qより低いときよりも低下させ、その後、本ルーチンを一旦終了する。
このような制御においては、高圧縮比時に内燃機関1の機関負荷が規定値Qより高い場合は、冷却水がより低い温度であるときに、第2冷却水路42と第2連通路48との間が開通される。従って、冷却水の温度がより低い温度であっても該冷却水がラジエータ46を通って第2冷却水循環通路50を循環するようになる。その結果、内燃機関1に供給される冷却水の温度が低下し、該冷却水による内燃機関1の冷却効果が向上する。
即ち、本実施例によれば、上記実施例1と同様、高圧縮比時であって内燃機関1の機関負荷が高い場合、機関負荷が低い場合よりも内燃機関1を冷却する冷却能力が増大されるため、燃焼室7の温度上昇が抑制される。そのため、該燃焼室7の過昇温を抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となり、以て、内燃機関1の燃費性能や出力性能などをより向上させることが出来る。
尚、上記実施例1および実施例2において、高負荷運転時に高圧縮比とするのは、内燃機関1が高回転で運転されているときとしてもよい。このような場合においても、上記それぞれの制御を実行することで、燃焼室7の過昇温をより確実に抑制しつつ、より高負荷での高圧縮比運転が可能となる。
また、上記実施例1と実施例2とを組み合わせてもよい。
本発明の実施例に係る可変圧縮比内燃機関の概略構成を示す図。 実施例1に係る可変圧縮比内燃機関の冷却水循環系の概略構成を示す図。 本発明の実施例に係る圧縮比変更時の燃焼室の状態を示す図。図3の(a)は、高圧縮比時の燃焼室の状態を示す図。図3の(b)は低圧縮比時の燃焼室の状態を示す図。 実施例1に係るウォーターポンプの単位時間当たりの冷却水圧送量制御ルーチンを示すフローチャート図。 実施例2に係る可変圧縮比内燃機関の冷却水循環系の概略構成を示す図。 実施例2に係る連通切換弁の開閉制御ルーチンを示すフローチャート図。
符号の説明
1・・・可変圧縮比内燃機関(内燃機関)
2・・・シリンダブロック
3・・・ロアケース
4・・・シリンダヘッド
5・・・気筒
6・・・ピストン
7・・・燃焼室
8・・・圧縮比可変機構
9・・・カム収納孔
10・・軸受収納孔
11・・カム軸
18・・ウォータージャケット
20・・燃料噴射弁
24・・モータ
30・・ECU
31・・カムポジションセンサ
33・・アクセル開度センサ
34・・クランクポジションセンサ
35・・水温センサ
41・・第1冷却水路
42・・第2冷却水路
43・・機関関連装置
44・・ウォーターポンプ
45・・第1冷却水循環通路
46・・ラジエータ
47・・第1連通路
48・・第2連通路
49・・連通切換弁
50・・第2冷却水循環通路

Claims (5)

  1. 燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関において、
    該可変圧縮比内燃機関を冷却する冷却手段と、
    高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が前記燃焼室が過昇温する虞がある規定値以上の場合、前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が該規定値より低いときよりも前記冷却手段の冷却能力を増大させる冷却能力増大手段と、
    を備えることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
  2. 前記冷却手段は、前記可変圧縮比内燃機関に熱媒体を供給する熱媒体供給手段を有し、
    前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が規定値以上の場合、前記熱媒体供給手段によって前記可変圧縮比内燃機関に供給される熱媒体の量を増加させることで、前記冷却手段の冷却能力を増大させることを特徴とする請求項記載の可変圧縮比内燃機関。
  3. 前記熱媒体供給手段は、
    前記可変圧縮比内燃機関を通って熱媒体が循環する熱媒体循環通路と、
    該熱媒体循環通路に熱媒体を圧送する圧送手段と、を有し、
    前記冷却能力増大手段は、
    前記圧送手段による単位時間あたりの熱媒体の圧送量を変更する圧送量変更手段を有し、
    さらに、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が前記規定値以上の場合、前記圧送量変更手段によって、前記圧送手段による単位時間あたりの熱媒体の圧送量を増加させることを特徴とする請求項記載の可変圧縮比内燃機関。
  4. 前記冷却手段は、前記可変圧縮比内燃機関に熱媒体を供給する熱媒体供給手段を有し、
    前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が規定値以上の場合、前記熱媒体供給手段によって前記可変圧縮比内燃機関に供給される熱媒体の温度を低下させることで、前記冷却手段の冷却能力を増大させることを特徴とする請求項記載の可変圧縮比内燃機関。
  5. 前記熱媒体供給手段は、
    前記可変圧縮比内燃機関を通って熱媒体が循環する熱媒体循環通路を有し、
    前記冷却能力増大手段は、
    ラジエータと、
    該ラジエータと前記熱媒体循環通路とを連通する連通路と、
    該連通路に設けられ、該連通路を開通または遮断する連通切換弁と、
    前記熱媒体循環通路を流れる熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、
    該温度検出手段によって検出された熱媒体の温度が設定温度以上となったときは、前記連通切換弁を開弁し前記連通路を開通させることで前記可変圧縮比内燃機関と前記ラジエータとを通して熱媒体を循環させる弁開閉制御手段と、
    前記設定温度を変更する設定温度変更手段と、を有し、
    さらに、前記冷却能力増大手段は、高圧縮比時であって前記可変圧縮比内燃機関の機関負荷が前記規定値以上の場合、前記設定温度変更手段によって前記設定温度を低下させることを特徴とする請求項記載の可変圧縮比内燃機関。
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