JP5516461B2 - Internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism - Google Patents

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Description

本発明は、可変圧縮比機構を備える内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine including a variable compression ratio mechanism.

圧縮上死点の燃焼室容積を変化させることにより機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備える内燃機関が公知である。ところで、機関減速時には、一般的に、燃料消費を低減すると共に大きなエンジンブレーキ力を発生させるために、燃料を供給せずに気筒内での燃焼を中断するフューエルカットが実施される。フューエルカットによって機関回転数は徐々に低下し、復帰回転数となると、燃料が供給されて気筒内での燃焼が再開される。フューエルカットの復帰回転数は低くするほど燃料消費の低減に有利であるが、復帰回転数を過剰に低くすると、燃焼を再開させても機関停止してしまうことがある。   An internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism that makes a mechanical compression ratio variable by changing a combustion chamber volume at a compression top dead center is known. By the way, when the engine is decelerated, in order to reduce fuel consumption and generate a large engine braking force, a fuel cut that interrupts combustion in the cylinder without supplying fuel is generally performed. Due to the fuel cut, the engine speed gradually decreases, and when the engine speed reaches the return speed, fuel is supplied and combustion in the cylinder is resumed. Lowering the fuel cut return speed is more advantageous for reducing fuel consumption, but if the return speed is excessively reduced, the engine may stop even if combustion is resumed.

可変圧縮比機構を備える内燃機関において、機械圧縮比に伴い可変となる実圧縮比が高いほど発生トルクが高くなってフューエルカットからの復帰時に機関停止し難くなるために、フューエルカットの復帰回転数をフューエルカット時の実圧縮比が高いほど低くすることが提案されている(特許文献1参照)。   In an internal combustion engine equipped with a variable compression ratio mechanism, the higher the actual compression ratio that becomes variable with the mechanical compression ratio, the higher the generated torque and the more difficult it is to stop the engine when returning from fuel cut. It has been proposed that the higher the actual compression ratio at the time of fuel cut, the lower (see Patent Document 1).

特開2005−030223JP-A-2005-030223 特開2004−239147JP-A-2004-239147 特開2007−107512JP2007-107512 特開2010−255585JP2010-255585A

実圧縮比を高めるとノッキングが発生し易くなるために実圧縮比は一定とし、圧縮上死点の燃焼室容積を変化させて機械圧縮比に伴って膨張比を可変として熱効率を改善する内燃機関の場合には、前述の考え方が適用されても、実圧縮比は一定であるためにフューエルカットの復帰回転数は一定となり、フューエルカットによる燃料消費をさらに低減することはできない。   An internal combustion engine that improves thermal efficiency by changing the expansion ratio according to the mechanical compression ratio by changing the combustion chamber volume at the compression top dead center by making the actual compression ratio constant because knocking is likely to occur when the actual compression ratio is increased. In this case, even if the above-described concept is applied, the actual compression ratio is constant, so that the return speed of fuel cut is constant, and fuel consumption due to fuel cut cannot be further reduced.

従って、本発明の目的は、可変圧縮比機構により機械圧縮比を可変として実圧縮比は一定とする可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカットによる燃料消費をさらに低減可能とすることである。   Accordingly, an object of the present invention is to further reduce fuel consumption due to fuel cut in an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism in which the mechanical compression ratio is variable by the variable compression ratio mechanism and the actual compression ratio is constant. .

本発明による請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、可変圧縮比機構により機械圧縮比を可変として実圧縮比は一定とする可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカット時の前記機械圧縮比が低いほど、フューエルカットの復帰回転数は低くされることを特徴とする。   An internal combustion engine provided with the variable compression ratio mechanism according to claim 1 of the present invention is an internal combustion engine provided with a variable compression ratio mechanism in which the mechanical compression ratio is variable by the variable compression ratio mechanism and the actual compression ratio is constant. The lower the mechanical compression ratio is, the lower the rotational speed of the fuel cut is.

本発明による請求項2に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカットの復帰時の復帰燃焼空燃比は理論空燃比よりリッチにされ、フューエルカット時の前記機械圧縮比が低いほど、前記復帰燃焼空燃比は小さくされることを特徴とする。   An internal combustion engine having the variable compression ratio mechanism according to claim 2 according to the present invention is the internal combustion engine having the variable compression ratio mechanism according to claim 1, wherein the return combustion air-fuel ratio at the time of fuel cut return is greater than the stoichiometric air-fuel ratio. The return combustion air-fuel ratio is made smaller as the mechanical compression ratio at the time of fuel cut is made lower.

本発明による請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関によれば、可変圧縮比機構により機械圧縮比を可変として実圧縮比は一定とする可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカット時の機械圧縮比が低いほど、実圧縮比は一定のために、気筒内の吸気量は多くなり、フューエルカットの復帰時に発生トルクが高くなる。それにより、フューエルカット時の機械圧縮比が低いほど、フューエルカットの復帰回転数は低くされるが、機関停止することはなく、フューエルカットによる燃料消費は、復帰回転数を低くした分だけ低減させることができる。   According to the internal combustion engine having the variable compression ratio mechanism according to the first aspect of the present invention, in the internal combustion engine having the variable compression ratio mechanism in which the mechanical compression ratio is variable by the variable compression ratio mechanism and the actual compression ratio is constant, The lower the mechanical compression ratio at the time of cutting, the more the actual compression ratio is constant, so the amount of intake air in the cylinder increases, and the generated torque increases when fuel cut is restored. As a result, the lower the mechanical compression ratio at the time of fuel cut, the lower the return speed of the fuel cut, but the engine will not stop, and the fuel consumption due to the fuel cut will be reduced by the amount that the return speed is lowered. Can do.

本発明による請求項2に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関によれば、請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカットの復帰時の復帰燃焼空燃比は理論空燃比よりリッチにされ、フューエルカット時の機械圧縮比が低いほど、実圧縮比は一定のために、気筒内の吸気量は多くなり、フューエルカットの復帰時に燃焼温度が高くなってNOX生成量が増大し易くなる。それにより、フューエルカット時の機械圧縮比が低いほど、復帰燃焼空燃比は小さくされ、燃焼温度を低下させてNOX生成量の増大を抑制する。 According to the internal combustion engine provided with the variable compression ratio mechanism according to claim 2 of the present invention, in the internal combustion engine provided with the variable compression ratio mechanism according to claim 1, the return combustion air-fuel ratio at the time of fuel cut return is the theoretical sky. The richer the fuel ratio and the lower the mechanical compression ratio at the time of fuel cut, the more constant the actual compression ratio, so the amount of intake air in the cylinder increases, and the combustion temperature rises at the time of fuel cut recovery, resulting in NO x generation. Tends to increase. As a result, the lower the mechanical compression ratio at the time of fuel cut, the smaller the return combustion air-fuel ratio, and the combustion temperature is lowered to suppress the increase in the amount of NO x produced.

内燃機関の全体図である。1 is an overall view of an internal combustion engine. 可変圧縮比機構の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a variable compression ratio mechanism. 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。1 is a schematic side sectional view of an internal combustion engine. 可変バルブタイミング機構を示す図である。It is a figure which shows a variable valve timing mechanism. 吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。It is a figure which shows the lift amount of an intake valve and an exhaust valve. 機械圧縮比、実圧縮比および膨張比を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mechanical compression ratio, an actual compression ratio, and an expansion ratio. 理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between theoretical thermal efficiency and an expansion ratio. 通常のサイクルおよび超高膨張比サイクルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a normal cycle and a super-high expansion ratio cycle. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. フューエルカット制御のためのフローチャートである。It is a flowchart for fuel cut control. フューエルカットの復帰回転数を決定するためのマップである。It is a map for determining the return rotation speed of a fuel cut. フューエルカットの復帰燃焼空燃比を決定するためのマップである。6 is a map for determining a fuel cut return combustion air-fuel ratio.

図1は本発明による可変圧縮比機構を備える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栓、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。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には夫々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 is a side sectional view of an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism according to the present invention. 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 combustion chamber 5, and 7 is intake air. 8 is an intake port, 9 is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via an intake branch pipe 11, and a fuel injection valve 13 for injecting fuel into the corresponding intake port 8 is arranged in each intake branch pipe 11. The fuel injection valve 13 may be arranged in each combustion chamber 5 instead of being attached to each intake branch pipe 11.

サージタンク12は吸気ダクト14を介してエアクリーナ15に連結され、吸気ダクト14内にはアクチュエータ16によって駆動されるスロットル弁17と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器18とが配置される。一方、排気ポート10は排気マニホルド19を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒装置20に連結され、排気マニホルド19内には空燃比センサ21が配置される。   The surge tank 12 is connected to an air cleaner 15 via an intake duct 14, and a throttle valve 17 driven by an actuator 16 and an intake air amount detector 18 using, for example, heat rays are arranged in the intake duct 14. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to a catalyst device 20 containing, for example, a three-way catalyst via an exhaust manifold 19, and an air-fuel ratio sensor 21 is disposed in the exhaust manifold 19.

一方、図1に示される実施例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、更に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Bが設けられている。なお、図1に示される実施例ではこの実圧縮作用開始時期変更機構Bは吸気弁7の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構からなる。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the piston 4 is positioned at the compression top dead center by changing the relative position of the crankcase 1 and the cylinder block 2 in the cylinder axial direction at the connecting portion between the crankcase 1 and the cylinder block 2. There is provided a variable compression ratio mechanism A capable of changing the volume of the combustion chamber 5 at the time, and further an actual compression action start timing changing mechanism B capable of changing the actual start time of the compression action. In the embodiment shown in FIG. 1, the actual compression action start timing changing mechanism B is composed of a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve 7.

図1に示されるようにクランクケース1とシリンダブロック2にはクランクケース1とシリンダブロック2間の相対位置関係を検出するための相対位置センサ22が取付けられており、この相対位置センサ22からはクランクケース1とシリンダブロック2との間隔の変化を示す出力信号が出力される。また、可変バルブタイミング機構Bには吸気弁7の閉弁時期を示す出力信号を発生するバルブタイミングセンサ23が取付けられており、スロットル弁駆動用のアクチュエータ16にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ24が取付けられている。   As shown in FIG. 1, a relative position sensor 22 for detecting a relative positional relationship between the crankcase 1 and the cylinder block 2 is attached to the crankcase 1 and the cylinder block 2. An output signal indicating a change in the interval between the crankcase 1 and the cylinder block 2 is output. The variable valve timing mechanism B is provided with a valve timing sensor 23 for generating an output signal indicating the closing timing of the intake valve 7, and an output signal indicating the throttle valve opening is provided to the actuator 16 for driving the throttle valve. A throttle opening sensor 24 is attached.

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18、空燃比センサ21、相対位置センサ22、バルブタイミングセンサ23およびスロットル開度センサ24の出力信号は夫々対応する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L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を介して点火栓6、燃料噴射弁13、スロットル弁駆動用アクチュエータ16、可変圧縮比機構Aおよび可変バルブタイミング機構Bに接続される。   The electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31. A ROM (read only memory) 32, a RAM (random access memory) 33, a CPU (microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36. It comprises. Output signals of the intake air amount detector 18, the air-fuel ratio sensor 21, the relative position sensor 22, the valve timing sensor 23, and the throttle opening sensor 24 are input to the input port 35 via the corresponding AD converters 37. A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Is done. Further, a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 ° is connected to the input port 35. On the other hand, the output port 36 is connected to the spark plug 6, the fuel injection valve 13, the throttle valve driving actuator 16, the variable compression ratio mechanism A, and the variable valve timing mechanism B through corresponding drive circuits 38.

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内には夫々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夫々対応する突出部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内にも夫々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 protrusions 50 spaced from each other are formed below both side walls of the cylinder block 2, and cam insertion holes 51 each having a circular cross section are formed in each protrusion 50. Has been. On the other hand, a plurality of protrusions 52 are formed on the upper wall surface of the crankcase 1 so as to be fitted between the corresponding protrusions 50 spaced apart from each other. Cam insertion holes 53 each having a circular cross section are formed.

図2に示される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53内に回転可能に挿入される同心部分58が位置している。各同心部分58は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各同心部分58の両側には図3に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部57が位置しており、この偏心部57上に別の円形カム56が偏心して回転可能に取付けられている。すなわち、偏心部57は円形カム56に形成された偏心孔に嵌合し、円形カム56は偏心孔を中心として偏心部57回りに回動するようになっている。図2に示されるようにこれら円形カム56は各同心部分58の両側に配置されており、これら円形カム56は対応する各カム挿入孔51内に回転可能に挿入されている。また、図2に示されるようにカムシャフト55にはカムシャフト55の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ25が取付けられている。   As shown in FIG. 2, a pair of camshafts 54, 55 are provided, and on each camshaft 54, 55, a concentric portion 58 is rotatably inserted into each cam insertion hole 53. positioned. Each concentric portion 58 is coaxial with the rotational axis of each camshaft 54, 55. On the other hand, as shown in FIG. 3, eccentric portions 57 that are eccentrically arranged with respect to the rotation axes of the camshafts 54 and 55 are positioned on both sides of each concentric portion 58. A cam 56 is eccentrically mounted for rotation. That is, the eccentric portion 57 is fitted into an eccentric hole formed in the circular cam 56, and the circular cam 56 rotates around the eccentric portion 57 around the eccentric hole. As shown in FIG. 2, the circular cams 56 are disposed on both sides of each concentric portion 58, and the circular cams 56 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 51. As shown in FIG. 2, a cam rotation angle sensor 25 that generates an output signal representing the rotation angle of the camshaft 55 is attached to the camshaft 55.

図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55の同心部分58を図3(A)において矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心部57が互いに離れる方向に移動するために円形カム56がカム挿入孔51内において同心部分58とは反対方向に回転し、図3(B)に示されるように偏心部57の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に同心部分58を矢印で示される方向に回転させると図3(C)に示されるように偏心部57は最も低い位置となる。   When the concentric portions 58 of the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as shown by arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. 3A, the eccentric portions 57 move in directions away from each other. Therefore, the circular cam 56 rotates in the direction opposite to the concentric portion 58 in the cam insertion hole 51, and the position of the eccentric portion 57 is changed from a high position to an intermediate height position as shown in FIG. Next, when the concentric portion 58 is further rotated in the direction indicated by the arrow, the eccentric portion 57 is at the lowest position as shown in FIG.

なお、図3(A)、図3(B)、図3(C)には夫々の状態における同心部分58の中心線(すなわち、カムシャフトの中心線)aと偏心部57の中心線bと円形カム56の中心線cとの位置関係が示されている。   3A, FIG. 3B, and FIG. 3C show the center line a of the concentric portion 58 (that is, the center line of the camshaft) a and the center line b of the eccentric portion 57 in each state. The positional relationship with the center line c of the circular cam 56 is shown.

図3(A)から図3(C)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の相対位置は同心部分58の中心線aと円形カム56の中心線cとの距離によって定まり、同心部分58の中心線aと円形カム56の中心線c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。即ち、可変圧縮比機構Aは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース1とシリンダブロック2間の相対位置を変化させていることになる。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 to 3C, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center line a of the concentric part 58 and the center line c of the circular cam 56. The cylinder block 2 moves away from the crankcase 1 as the distance between the center line a of the concentric part 58 and the center line c of the circular cam 56 increases. That is, the variable compression ratio mechanism A changes the relative position between the crankcase 1 and the cylinder block 2 by a crank mechanism using a rotating cam. When the cylinder block 2 moves away from the crankcase 1, the volume of the combustion chamber 5 increases when the piston 4 is positioned at the compression top dead center. Therefore, by rotating the camshafts 54 and 55, the piston 4 is compressed at the top dead center. The volume of the combustion chamber 5 when it is located at can be changed.

図2に示されるように各カムシャフト54,55を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ59の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォーム61,62が取付けられており、これらウォーム61,62と噛合するウォームホイール63,64が夫々各カムシャフト54,55の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ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。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in opposite directions, a pair of worms 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shaft of the drive motor 59, respectively. Worm wheels 63 and 64 that mesh with the worms 61 and 62 are fixed to the ends of the camshafts 54 and 55, respectively. In this embodiment, by driving the drive motor 59, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 is located at the compression top dead center can be changed over a wide range.

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の端部に取付けられた可変バルブタイミング機構Bを示している。図4を参照すると、この可変バルブタイミング機構B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、吸気弁駆動用カムシャフト70と一緒に回転しか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個の仕切壁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の両側には夫々進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。   On the other hand, FIG. 4 shows the variable valve timing mechanism B attached to the end of the camshaft 70 for driving the intake valve 7 in FIG. Referring to FIG. 4, the variable valve timing mechanism B includes a timing pulley 71 that is rotated in the direction of an arrow by a crankshaft of an engine via a timing belt, a cylindrical housing 72 that rotates together with the timing pulley 71, an intake valve A rotating shaft 73 that rotates together with the driving camshaft 70 and is rotatable relative to the cylindrical housing 72, and a plurality of partition walls 74 that extend from the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 to the outer peripheral surface of the rotating shaft 73. And a vane 75 extending from the outer peripheral surface of the rotating shaft 73 to the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 between the partition walls 74, and an advance hydraulic chamber 76 on each side of each vane 75. A retarding hydraulic chamber 77 is formed.

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に夫々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 hydraulic chambers 76 and 77 is performed by a hydraulic oil supply control valve 78. The hydraulic oil supply control valve 78 includes hydraulic ports 79 and 80 connected to the hydraulic chambers 76 and 77, a hydraulic oil supply port 82 discharged from the hydraulic pump 81, a pair of drain ports 83 and 84, And a spool valve 85 for controlling communication between the ports 79, 80, 82, 83, and 84.

吸気弁駆動用カムシャフト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が右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に対して矢印方向に相対回転せしめられる。   When the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 should be advanced, the spool valve 85 is moved to the right in FIG. 4 and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 is advanced via the hydraulic port 79. The hydraulic oil in the retard hydraulic chamber 77 is discharged from the drain port 84 while being supplied to the hydraulic chamber 76. At this time, the rotary shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction of the arrow.

これに対し、吸気弁駆動用カムシャフト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が左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 intake valve driving camshaft 70 should be retarded, the spool valve 85 is moved to the left in FIG. 4, and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 causes the hydraulic port 80 to move. The hydraulic oil in the advance hydraulic chamber 76 is discharged from the drain port 83 while being supplied to the retard hydraulic chamber 77. At this time, the rotating shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction opposite to the arrow.

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に示される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。従って可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。   If the spool valve 85 is returned to the neutral position shown in FIG. 4 while the rotation shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72, the relative rotation operation of the rotation shaft 73 is stopped, and the rotation shaft 73 is The relative rotation position at that time is held. Therefore, the variable valve timing mechanism B can advance and retard the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 by a desired amount.

図5において実線は可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も遅角されているときを示している。従って吸気弁7の開弁期間は図5において実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設定することができ、従って吸気弁7の閉弁時期も図5において矢印Cで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。   In FIG. 5, the solid line shows the time when the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 is advanced the most by the variable valve timing mechanism B, and the broken line shows the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 being the most advanced. It shows when it is retarded. Therefore, the valve opening period of the intake valve 7 can be arbitrarily set between the range indicated by the solid line and the range indicated by the broken line in FIG. 5, and therefore the closing timing of the intake valve 7 is also the range indicated by the arrow C in FIG. Any crank angle can be set.

図1および図4に示される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、例えば吸気弁の開弁時期を一定に維持したまま吸気弁の閉弁時期のみを変えることのできる可変バルブタイミング機構等、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 variable valve timing mechanism B shown in FIG. 1 and FIG. 4 shows an example. For example, the variable valve timing that can change only the closing timing of the intake valve while keeping the opening timing of the intake valve constant. Various types of variable valve timing mechanisms, such as mechanisms, can be used.

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)に示される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)に示される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如く表される。図6(B)に示される例では実圧縮比は(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 operation 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)に示される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用いられている超膨張比サイクルについて説明する。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 super expansion ratio cycle used in 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、ほぼ吸気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 intake bottom dead center. In the example shown in FIG. 8A as well, the combustion chamber volume is set to 50 ml, and the stroke volume of the piston is set to 500 ml, similarly to the example 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機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、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が見い出されたのである。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ーが必要となり、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, under such circumstances, it is considered to increase the theoretical thermal efficiency while strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio. As a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the actual compression ratio is compared to the theoretical thermal efficiency. Was found to have 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ε=10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ε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の実線で示す如く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 ε = 10 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 the actual compression ratio ε is maintained 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および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 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、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)に示される通常のサイクルでは前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)に示される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 variable valve timing mechanism B delays the closing timing of the intake valve 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 with 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.

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、従って機関運転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負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示される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内に吸入しう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負荷が比較的低いときには図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。   Generally speaking, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, that is, to improve fuel efficiency, it is necessary to improve the thermal efficiency when the engine load is low. Necessary. 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 combustion chamber 5 is reduced. The expansion ratio cycle can only be adopted when the engine load is relatively low. Therefore, in the present invention, when the engine load is relatively low, the super high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is used, and during the high engine load operation, the normal cycle shown in FIG. 8A is used.

次に図9を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。図9には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比およびスロットル弁17の開度の各変化が示されている。なお、図9は、触媒装置20内の三元触媒によって排気ガス中の未燃HC,COおよびNOXを同時に低減しうるように燃焼室5内における平均空燃比が空燃比センサ21の出力信号に基いて理論空燃比にフィードバック制御されている場合を示している。 Next, the overall operation control will be schematically described with reference to FIG. FIG. 9 shows changes in the intake air amount, the intake valve closing timing, the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the actual compression ratio, and the opening degree of the throttle valve 17 according to the engine load at a certain engine speed. . 9 shows that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the output signal of the air-fuel ratio sensor 21 so that unburned HC, CO and NO x in the exhaust gas can be simultaneously reduced by the three-way catalyst in the catalyst device 20. This shows a case where feedback control is performed to the stoichiometric air-fuel ratio based on the above.

さて、前述したように機関高負荷運転時には図8(A)に示される通常のサイクルが実行される。従って図9に示されるようにこのときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は図5において実線で示される如く早められている。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. 8 (A) is executed during engine high load operation. Accordingly, as shown in FIG. 9, the expansion ratio is low because the mechanical compression ratio is lowered at this time, and the valve closing timing of the intake valve 7 is advanced as shown by the solid line in FIG. ing. At this time, the amount of intake air is large, and at this time, the opening degree of the throttle valve 17 is kept fully open, so that the pumping loss is zero.

一方、図9において実線で示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁7の閉弁時期が遅くされる。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に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、従って機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁17は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。   On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 9, when the engine load becomes low, the closing timing of the intake valve 7 is delayed in order to reduce the intake air amount. Further, at this time, as shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is increased as the engine load is lowered so that the actual compression ratio is kept substantially constant. Therefore, the expansion ratio is also increased as the engine load is lowered. At this time, the throttle valve 17 is kept fully open, and therefore the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 is controlled by changing the closing timing of the intake valve 7 regardless of the throttle valve 17. Has been.

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、このとき図9に示される例では燃焼室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 combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is decreased in proportion to the decrease in the intake air amount. Therefore, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the intake air amount. At this time, in the example shown in FIG. 9, the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio, so the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is proportional to the fuel amount. Will change.

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、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷L1まで低下すると機械圧縮比は燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比(上限機械圧縮比)に達する。機械圧縮比が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。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、機関低負荷運転側で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機関低負荷運転側では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。   When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased, and when the engine load is lowered to the medium load L1 slightly close to the low load, the mechanical compression ratio becomes a limit mechanical compression ratio (upper limit mechanical compression) that becomes the structural limit of the combustion chamber 5 Ratio). When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio, the mechanical compression ratio is held at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load L1 when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio. Accordingly, the mechanical compression ratio is maximized and the expansion ratio is maximized at the time of low engine load operation and low engine load operation, that is, at the engine low load operation side. In other words, the mechanical compression ratio is maximized so that the maximum expansion ratio is obtained on the engine low load operation side.

一方、図9に示される実施例では機関負荷がL1まで低下すると吸気弁7の閉弁時期が燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L1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。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 9, when the engine load decreases to L1, the closing timing of the intake valve 7 becomes the limit closing timing that can control the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5. When the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve 7 is reduced in a region where the load is lower than the engine load L1 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the closing timing. It is held at the limit closing timing.

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することができない。図9に示される実施例ではこのとき、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L1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、機関負荷が低くなるほどスロットル弁17の開度は小さくされる。   When the closing timing of the intake valve 7 is held at the limit closing timing, the amount of intake air can no longer be controlled by changing the closing timing of the intake valve 7. In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L1 when the valve closing timing of the intake valve 7 reaches the limit valve closing timing, the intake valve 7 is supplied into the combustion chamber 5 by the throttle valve 17. The amount of intake air to be controlled is controlled, and the opening degree of the throttle valve 17 is made smaller as the engine load becomes lower.

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において実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しうるように表現すると、本発明による実施例では吸気弁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うる限界閉弁時期L1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。このように吸入空気量は吸気弁7の閉弁時期を図9において実線で示すように変化させても制御することができるし、破線に示すように変化させても制御することができる。   On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the throttle valve 17 by advancing the closing timing of the intake valve 7 as the engine load becomes lower. Accordingly, when expressing the case shown in FIG. 9 so as to include both the case indicated by the solid line and the case indicated by the broken line, in the embodiment according to the present invention, the valve closing timing of the intake valve 7 becomes smaller as the engine load becomes lower. It is moved in a direction away from the intake bottom dead center BDC until the limit valve closing timing L1 at which the intake air amount supplied into the combustion chamber can be controlled. Thus, the intake air amount can be controlled by changing the closing timing of the intake valve 7 as shown by the solid line in FIG. 9 or by changing it as shown by the broken line.

前述したように図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図7からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε=5に対しても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。従って本実施例では膨張比が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。   As described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. The higher the expansion ratio, the better. However, as can be seen from FIG. 7, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained if it is 20 or more with respect to the practically usable lower limit actual compression ratio ε = 5. Therefore, in this embodiment, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.

ところで、機関減速時には、一般的に、燃料消費を低減すると共に大きなエンジンブレーキ力を発生させるために、燃料を供給せずに気筒内での燃焼を中断するフューエルカットが実施される。フューエルカットによって機関回転数は徐々に低下し、フューエルカットを中止する復帰回転数となると、燃料が供給されて気筒内での燃焼が再開される。フューエルカットの復帰回転数は低くするほど燃料消費の低減に有利であるが、復帰回転数を過剰に低くすると、各気筒の燃焼間隔が非常に長くなるために、各気筒の燃焼を再開させても、機関回転数の低下を止めることができず、そのまま機関停止してしまうことがある。   By the way, when the engine is decelerated, in order to reduce fuel consumption and generate a large engine braking force, a fuel cut that interrupts combustion in the cylinder without supplying fuel is generally performed. The engine speed gradually decreases due to the fuel cut, and when the engine speed reaches the return speed at which the fuel cut is stopped, fuel is supplied and combustion in the cylinder is resumed. Lowering the fuel cut return speed is more advantageous in reducing fuel consumption. However, if the return speed is excessively low, the combustion interval of each cylinder will become very long. However, the decrease in the engine speed cannot be stopped, and the engine may be stopped as it is.

実圧縮比が高いほど各気筒の発生トルクは高くなるために、実圧縮比が高いほどフューエルカットの復帰回転数を低くして各気筒の燃焼間隔を長くしても、フューエルカットの復帰時に機関停止することはない。しかしながら、本実施例の内燃機関では、可変圧縮比機構Aにより機械圧縮比は可変とされるが、可変バルブタイミング機構Bにより実圧縮比は一定とされている。   The higher the actual compression ratio, the higher the generated torque of each cylinder. Therefore, the higher the actual compression ratio, the lower the engine speed at the time of fuel cut recovery, even if the return speed of fuel cut is lowered and the combustion interval of each cylinder is lengthened. Never stop. However, in the internal combustion engine of this embodiment, the mechanical compression ratio is made variable by the variable compression ratio mechanism A, but the actual compression ratio is made constant by the variable valve timing mechanism B.

図10は、本実施例の内燃機関におけるフューエルカット制御を示すフローチャートであり、電子制御ユニット30により実施される。先ず、ステップ101において、機関減速時などにおいて、フューエルカットの要求があるか否かが判断される。この判断が否定されるときにはそのまま終了する。しかしながら、フューエルカットの要求があるときには、ステップ102において、相対位置センサ22の出力から推定される現在の機械圧縮比Eに基づきフューエルカットの復帰回転数N1が決定される。   FIG. 10 is a flowchart showing fuel cut control in the internal combustion engine of the present embodiment, which is performed by the electronic control unit 30. First, in step 101, it is determined whether or not there is a fuel cut request at the time of engine deceleration or the like. When this judgment is denied, the process is terminated as it is. However, when there is a request for fuel cut, in step 102, the return speed N1 of fuel cut is determined based on the current mechanical compression ratio E estimated from the output of the relative position sensor 22.

次いで、ステップ103において、燃料供給を停止して各気筒の燃焼を中止しフューエルカットが実施される。フューエルカットにより機関回転数は徐々に低下し、ステップ104では、クランク角センサ42により検出される現在の機関回転数Nがステップ102において決定された復帰回転数N1まで低下したか否かが判断される。この判断が肯定されるまで、フューエルカットは継続され、機関回転数Nが復帰回転数N1まで低下すると、ステップ104の判断が肯定され、ステップ105において、燃料供給を開始して各気筒の燃焼を再開する。   Next, in step 103, fuel supply is stopped, combustion of each cylinder is stopped, and fuel cut is performed. The engine speed gradually decreases due to the fuel cut. In step 104, it is determined whether or not the current engine speed N detected by the crank angle sensor 42 has decreased to the return speed N1 determined in step 102. The The fuel cut is continued until this determination is affirmed. When the engine speed N decreases to the return speed N1, the determination in step 104 is affirmed. In step 105, fuel supply is started and combustion of each cylinder is started. Resume.

本フューエルカット制御では、ステップ102において、復帰回転数N1は、フューエルカット開始時の機械圧縮比Eに基づき図11に示すマップを使用して設定され、機械圧縮比Eが低いほど低くされる。フューエルカット開始時の機械圧縮比Eは、フューエルカット中は維持され、復帰時の機械圧縮比となる。ここで、実圧縮比は一定とされるために、機械圧縮比Eが低いほど、吸気弁の閉弁時期が進角されることとなり、気筒内の吸気量が多くなる。特に、フューエルカットからの復帰時の最初の各気筒の燃焼においては、機械圧縮比Eが低いほど圧縮上死点と共に吸気上死点の燃焼室容積が大きくなり、その燃焼室容積の全てが新気で満たされるために、気筒内の新気量は非常に多くなる。   In this fuel cut control, in step 102, the return rotational speed N1 is set using the map shown in FIG. 11 based on the mechanical compression ratio E at the start of fuel cut, and is lowered as the mechanical compression ratio E is lower. The mechanical compression ratio E at the start of the fuel cut is maintained during the fuel cut and becomes the mechanical compression ratio at the time of return. Here, since the actual compression ratio is constant, the lower the mechanical compression ratio E, the more the intake valve closing timing is advanced, and the intake amount in the cylinder increases. In particular, in the first combustion of each cylinder when returning from a fuel cut, the lower the mechanical compression ratio E, the larger the combustion chamber volume at the intake top dead center as well as the compression top dead center. In order to be filled with energy, the amount of fresh air in the cylinder becomes very large.

それにより、機械圧縮比Eが低いほど、フューエルカットからの復帰時の各気筒の発生トルクは高くなり、復帰回転数N1を低くして各気筒の燃焼間隔が長くなっても、各気筒の燃焼を再開すれば、機関回転数を確実に高めることができ、機関停止することはない。こうして、復帰回転数を低くした分だけフューエルカット時間が長くなり、燃料消費を低減させることができる。   Accordingly, the lower the mechanical compression ratio E, the higher the generated torque of each cylinder at the time of return from the fuel cut, and even if the return rotation speed N1 is lowered and the combustion interval of each cylinder becomes longer, the combustion of each cylinder If the engine is restarted, the engine speed can be reliably increased and the engine will not be stopped. In this way, the fuel cut time is lengthened by the amount that the return rotational speed is lowered, and fuel consumption can be reduced.

フューエルカット中において、各気筒からは吸気がそのまま排気系へ排出されるために、三元触媒装置20は、O2ストレージ能力によって多量の酸素を貯蔵してしまう。それにより、三元触媒装置20の酸化作用は活発となるが、還元作用は不活発となり、フューエルカットからの復帰時において燃焼が再開されると、三元触媒装置20において、排気ガス中のHC及びCOは良好に酸化させることができるが、排気ガス中のNOXは良好に還元させることができない。 During the fuel cut, since the intake air is discharged from each cylinder as it is to the exhaust system, the three-way catalyst device 20 stores a large amount of oxygen due to the O 2 storage capability. As a result, the oxidation action of the three-way catalyst device 20 becomes active, but the reduction action becomes inactive. When combustion is resumed at the time of return from the fuel cut, the three-way catalyst device 20 causes the HC in the exhaust gas. and CO can be favorably oxidized, nO X in the exhaust gas can not be satisfactorily reduced.

こうして、フューエルカットからの復帰時において、数サイクルの間は、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしてHC及びCOの生成量は増加してもNOXの生成量を減少させることが好ましい。また、NOXは燃焼温度が高くなると生成量が増大する。それにより、フューエルカットからの復帰時の機械圧縮比Eが低いほど、吸気量が多く、そのままでは燃焼温度が高くなってしまうために、フューエルカットからの復帰時の目標燃焼空燃比AFtは、図12に示すように、理論空燃比Sよりリッチの範囲において、機械圧縮比Eが低いほど小さくすることが好ましい。理論空燃比よりリッチの範囲において燃焼空燃比を小さくするほど燃焼温度を低下させることができる。それにより、フューエルカットからの復帰時において、機械圧縮比Eが高く吸気量が多いほど、復帰燃焼空燃比は小さくされ、燃焼温度が高くなることによるNOXの生成量の増加を抑制することができる。 Thus, at the time of return from the fuel cut, it is preferable to reduce the NO x production amount for several cycles even if the combustion air fuel ratio is made richer than the stoichiometric air fuel ratio and the production amounts of HC and CO increase. Further, NO X is the amount produced and the combustion temperature is high increases. Accordingly, the lower the mechanical compression ratio E at the time of return from the fuel cut, the larger the intake air amount, and the combustion temperature becomes higher as it is. Therefore, the target combustion air-fuel ratio AFt at the time of return from the fuel cut is As shown in FIG. 12, it is preferable that the lower the mechanical compression ratio E in the richer range than the theoretical air-fuel ratio S, the smaller. The combustion temperature can be lowered as the combustion air-fuel ratio is reduced in a richer range than the theoretical air-fuel ratio. As a result, at the time of return from fuel cut, the higher the mechanical compression ratio E and the larger the intake air amount, the smaller the return combustion air-fuel ratio becomes, and it is possible to suppress the increase in the amount of NO x produced due to the higher combustion temperature. it can.

フューエルカットからの復帰において、各気筒の一回目の燃焼は、前述したように吸気上死点の燃焼室全体が新気で満たされているために、特に、燃焼温度が高くなり易い。それにより、復帰時の各気筒の一回目の燃焼における目標燃焼空燃比AFtは、図12のMAP1により決定され、各機械圧縮比Eにおいて、理論空燃比Sよりかなり小さくされ、燃焼温度が高くなってNOXの生成量が増加することを抑制している。 In returning from the fuel cut, the first combustion of each cylinder is particularly likely to increase the combustion temperature because the entire combustion chamber at the intake top dead center is filled with fresh air as described above. Accordingly, the target combustion air-fuel ratio AFt in the first combustion of each cylinder at the time of return is determined by MAP1 in FIG. 12, and is made considerably smaller than the theoretical air-fuel ratio S at each mechanical compression ratio E, and the combustion temperature becomes high. This suppresses an increase in the amount of NO x produced.

また、復帰時の各気筒の二回目の燃焼は、各気筒において一回目の燃焼により吸気上死点の燃焼室全体がほぼ排気ガスにより満たされ、こうして気筒内に残留する排気ガスによって一回目の燃焼より燃焼温度が低下するために、各気筒の二回目の燃焼における目標燃焼空燃比AFtは、図12のMAP2により決定され、各機械圧縮比Eにおいて、一回目の燃焼における目標燃焼空燃比AFtより大きくされる。それにより、不必要に燃料を消費することなく燃焼温度が高くなってNOXの生成量が増加することを抑制している。 Further, the second combustion of each cylinder at the time of return is performed by the first combustion in each cylinder so that the entire combustion chamber at the intake top dead center is almost filled with exhaust gas, and thus the exhaust gas remaining in the cylinder causes the first combustion. Since the combustion temperature is lower than the combustion, the target combustion air-fuel ratio AFt in the second combustion of each cylinder is determined by MAP2 in FIG. 12, and at each mechanical compression ratio E, the target combustion air-fuel ratio AFt in the first combustion is determined. Made bigger. Thereby, the amount of the NO X in the combustion temperature becomes higher without consuming unnecessarily fuel is prevented from increasing.

図12のMAP2により決定される目標燃焼空燃比AFtは、フューエルカットの復帰から三回目以降の各気筒の燃焼に適用しても良い。こうして、フューエルカットからの復帰時において、数サイクルは、各気筒において理論空燃比よりリッチな燃焼空燃比での燃焼が実施され、三元触媒装置20においてO2ストレージ能力により貯蔵される酸素が限界量の半分程度まで減少すれば、各気筒の目標燃焼空燃比AFtは徐々に理論空燃比Sとされる。この数サイクルの間は、機械圧縮比はフューエルカット開始時の機械圧縮比に維持することが好ましい。 The target combustion air-fuel ratio AFt determined by MAP2 in FIG. 12 may be applied to the combustion of each cylinder after the third time from the return of the fuel cut. Thus, when returning from the fuel cut, combustion is performed at a combustion air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio in each cylinder for several cycles, and the oxygen stored by the O 2 storage capability in the three-way catalyst device 20 is limited. If it is reduced to about half of the amount, the target combustion air-fuel ratio AFt of each cylinder is gradually made the stoichiometric air-fuel ratio S. During these several cycles, the mechanical compression ratio is preferably maintained at the mechanical compression ratio at the start of fuel cut.

1 クランクケース
2 シリンダブロック
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
1 Crankcase 2 Cylinder block A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (2)

可変圧縮比機構により機械圧縮比を可変として実圧縮比は一定とする可変圧縮比機構を備える内燃機関において、フューエルカット時の前記機械圧縮比が低いほど、フューエルカットの復帰回転数は低くされることを特徴とする可変圧縮比機構を備える内燃機関。   In an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism in which the mechanical compression ratio is variable by the variable compression ratio mechanism and the actual compression ratio is constant, the lower the mechanical compression ratio at the time of the fuel cut, the lower the return rotation speed of the fuel cut. An internal combustion engine comprising a variable compression ratio mechanism characterized by the above. フューエルカットの復帰時の復帰燃焼空燃比は理論空燃比よりリッチにされ、フューエルカット時の前記機械圧縮比が低いほど、前記復帰燃焼空燃比は小さくされることを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関。   2. The return combustion air-fuel ratio at the time of fuel cut return is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and as the mechanical compression ratio at the time of fuel cut is lower, the return combustion air-fuel ratio is made smaller. An internal combustion engine provided with a variable compression ratio mechanism.
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