RU2438032C2

RU2438032C2 - Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием

Info

Publication number: RU2438032C2
Application number: RU2010107276/06A
Authority: RU
Inventors: Дайсуке АКИХИСА (JP); Дайсуке АКИХИСА
Original assignee: Тойота Дзидося Кабусики Кайся
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2011-12-27
Also published as: CN101821490A; JP4420105B2; US8596233B2; JP2009114966A; CN101821490B; DE112008002329B4; BRPI0815774B1; WO2009060977A1; US20110041811A1; DE112008002329T5; RU2010107276A; BRPI0815774A2

Abstract

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием (ДВС). ДВС содержит механизм регулированных фаз газораспределения, механизм переменной степени сжатия и дроссельную заслонку. Дроссельная заслонка размещена во впускном канале ДВС. Когда нагрузка на ДВС уменьшается с высокой до низкой, момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от нижней мертвой точки впуска. При работе двигателя с низкой нагрузкой степень механического сжатия сохраняется максимальной. При работе ДВС с высокой нагрузкой, когда нагрузка на двигатель становится ниже, степень механического сжатия увеличивается, при этом степень фактического сжатия остается постоянной. Предварительно определенная нагрузка устанавливается в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается максимальной. Дроссельная заслонка удерживается в полностью открытом состоянии в области между высокой и предварительно определенной (L2) нагрузками. Когда нагрузка на двигатель становится ниже, степень открытия дроссельной заслонки становится меньше, и момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от верхней мертвой точки впуска. В области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается максимальной, степень фактического сжатия понижается, когда нагрузка на двигатель падает. Технический результат заключается в улучшении организации процесса сгорания, позволяющей получать высокий термический кпд. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Уровень техники

В области техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженный механизмом переменной степени сжатия, способным изменять степень механического сжатия, и механизмом регулирования фаз газораспределения, способным управлять моментом закрытия впускного клапана, выполняющий действие наддува посредством нагнетателя во время работы двигателя со средней нагрузкой и работы двигателя с высокой нагрузкой и увеличивающий степень механического сжатия и задерживающий момент закрытия впускного клапана, когда нагрузка на двигатель понижается во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой в состоянии поддерживания степени фактического сгорания постоянной (см., например, публикацию заявки на патент Японии №2004-218522).

Однако в указанной публикации вообще не упоминается управление дроссельной заслонкой.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, способного улучшать термический кпд и обеспечивать хорошее сгорание.

Согласно настоящему изобретению создан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженный механизмом переменной степени сжатия, способным изменять степень механического сжатия, механизмом регулирования фаз газораспределения, способным управлять моментом закрытия впускного клапана, и дроссельной заслонкой, размещенной во впускном канале двигателя, для управления объемом всасываемого воздуха, в котором момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от нижней мертвой точки впуска, когда нагрузка на двигатель понижается с высокой нагрузки на двигатель до низкой нагрузки на двигатель, степень механического сжатия сохраняется в максимальной степени механического сжатия при работе двигателя с низкой нагрузкой и увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже при работе двигателя с высокой нагрузкой, так что степень фактического сжатия становится постоянной, предварительно определенная нагрузка устанавливается в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается в максимальной степени механического сжатия, дроссельная заслонка удерживается в полностью открытом состоянии между нагрузкой на двигатель, когда нагрузка на двигатель падает и степень механического сжатия достигает максимальной степени механического сжатия, и предварительно определенной нагрузкой в области, где нагрузка ниже, чем предварительно определенная нагрузка, степень открытия дроссельной заслонки становится меньше, когда нагрузка на двигатель становится ниже, и момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от верхней мертвой точки впуска, и в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается в максимальной степени механического сжатия, степень фактического сжатия понижается, когда нагрузка на двигатель падает.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является общим видом двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Фиг.2 является видом в перспективе с разнесением деталей механизма переменной степени сжатия.

Фиг.3 является боковым поперечно-рассеченным видом проиллюстрированного двигателя внутреннего сгорания.

Фиг.4 является видом механизма регулирования фаз газораспределения.

Фиг.5 является видом, показывающим величину поднятия впускного клапана и выпускного клапана.

Фиг.6 является видом, поясняющим степень механического сжатия, степень фактического сжатия и степень расширения.

Фиг.7 является видом, показывающим взаимоотношение между теоретическим термическим кпд и степенью расширения.

Фиг.8 является видом, поясняющим обычный цикл и цикл сверхвысокой степени расширения.

Фиг.9 является видом, показывающим изменение в степени механического сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.

Фиг.10 является блок-схемой последовательности операций оперативного управления.

Фиг.11 является видом, показывающим соответствия момента закрытия впускного клапана и т.д.

Наилучший вариант осуществления изобретения

Фиг.1 является боковым поперечно-рассеченным видом двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

На Фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен картер двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - головка цилиндра, 4 - поршень, 5 - камера сгорания, 6 - свеча зажигания, размещенная в верхней мертвой точке камеры 5 сгорания, 7 - впускной клапан, 8 - впускное отверстие, 9 - выпускной клапан, 10 - выпускное отверстие. Впускное отверстие 8 соединено через впускной патрубок 11 с уравнительным бачком 12, в то время как каждый впускной патрубок 11 снабжен топливной форсункой 13 для впрыска топлива в соответствующее впускное отверстие 8. Следует отметить, что каждая топливная форсунка 13 может быть размещена в каждой камере 5 сгорания вместо прикрепления к каждому впускному патрубку 11.

Уравнительный бачок 12 соединяется через впускной канал 14 с воздушным фильтром 15, в то время как впускной канал 14 снабжен внутри дроссельной заслонкой 17, приводимой в действие приводом 16, и датчиком 18 объема всасываемого воздуха, использующим, например, провод с высоким сопротивлением. С другой стороны, выпускное отверстие 10 соединяется через выпускной коллектор 19 с каталитическим нейтрализатором 20, вмещающим в себя, например, трехкомпонентный нейтрализатор, в то время как выпускной коллектор 19 снабжен внутри датчиком 21 качества воздушно-топливной смеси.

С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на Фиг.1, соединяющая часть картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров снабжена механизмом A переменной степени сжатия, способным изменять относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в осевом направлении цилиндров с тем, чтобы изменять объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, и дополнительно снабжена механизмом B изменения момента начала фактического действия сжатия, способным изменять момент начала фактического действия сжатия. Следует отметить, что в варианте осуществления, показанном на Фиг.1, этот механизм B изменения момента начала фактического действия сжатия состоит из механизма регулировки фаз газораспределения, способного управлять моментом закрытия впускного клапана 7.

Электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, снабженного компонентами, соединенными друг с другом через двунаправленную шину 31, такими как ПЗУ 32, ОЗУ 33, ЦП (микропроцессор) 34, порт 35 ввода, порт 36 вывода. Выходной сигнал датчика 18 количества всасываемого воздуха и выходной сигнал датчика 21 контроля состава смеси воздух-топливо вводятся через соответствующие аналого-цифровые преобразователи АЦП 37 в порт 35 ввода. Дополнительно, педаль 40 акселератора соединена с датчиком 41 нагрузки, формирующим выходное напряжение, пропорциональное величине надавливания L педали 40 акселератора. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки вводится через соответствующий АЦП 37 в порт 35 ввода. Кроме того, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота коленчатого вала, формирующим выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 30°. С другой стороны, порт 36 вывода соединен через управляющую схему 38 со свечой 6 зажигания, топливной форсункой 13, приводом 16 дроссельной заслонки, механизмом A переменной степени сжатия и механизмом B регулирования фаз газораспределения.

Фиг.2 является видом в перспективе с разнесением деталей механизма A переменной степени сжатия, показанного на Фиг.1, в то время как Фиг.3 является боковым поперечно-рассеченным видом иллюстрированного двигателя внутреннего сгорания. Обращаясь к Фиг.2, внизу двух боковых стенок блока 2 цилиндров сформированы множество выступающих частей 50, разделенных друг от друга определенным расстоянием. Каждая выступающая часть 50 сформирована с круглым в поперечном сечении отверстием 51 для вставки кулачка. С другой стороны, верхняя поверхность картера 1 двигателя сформирована с множеством выступающих частей 52, разделенных друг от друга определенным расстоянием и устанавливаемых между соответствующими выступающими частями 50. Эти выступающие части 52 также сформированы с круглыми в поперечном сечении отверстиями 53 для вставки кулачка.

Как показано на Фиг.2, предусмотрена пара кулачковых валов 54, 55. Каждый из кулачковых валов 54, 55 имеет дисковые кулачки 56, закрепленные на них, выполненные с возможностью вращающимся образом вставляться в отверстия 51 для вставки кулачков в каждой второй позиции. Эти дисковые кулачки 56 являются соосными с осями вращения кулачковых валов 54, 55. С другой стороны, между дисковыми кулачками 56, как показано штриховкой на Фиг.3, размещены эксцентриковые валы 57 эксцентрично по отношению к осям вращения кулачковых валов 54, 55. Каждый эксцентриковый вал 57 имеет другие дисковые кулачки 58, вращающимся образом прикрепленные к ним эксцентрично. Как показано на Фиг.2, эти дисковые кулачки 58 размещены между дисковыми кулачками 56. Эти дисковые кулачки 58 вращающимся образом вставлены в соответствующие отверстия 53 для вставки кулачков.

Когда дисковые кулачки 56, прикрепленные к кулачковым валам 54, 55, вращаются в противоположных направлениях, как показано стрелками сплошной линии на Фиг.3(A), из состояния, показанного на Фиг.3(A), эксцентриковые валы 57 движутся к нижней точке, таким образом, дисковые кулачки 58 вращаются в противоположных направлениях от дисковых кулачков 56 в отверстиях 53 для вставки кулачков, как показано стрелками прерывистой линии на Фиг.3(A). Как показано на Фиг.3(B), когда эксцентриковые валы 57 движутся к нижней точке, центры дисковых кулачков 58 движутся ниже эксцентриковых валов 57.

Как будет понятно из сравнения Фиг.3(A) и 3(B), относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров определяются расстоянием между центрами дисковых кулачков 56 и центрами дисковых кулачков 58. Чем больше расстояние между центрами дисковых кулачков 56 и центрами дисковых кулачков 58, тем дальше блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. Если блок 2 цилиндров движется от картера 1 двигателя, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, увеличивается, следовательно, обеспечивая вращение кулачковых валов 54, 55, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, может изменяться.

Как показано на Фиг.2, чтобы обеспечить вращение кулачковых валов 54, 55 в противоположных направлениях, вал приводного двигателя 59 снабжен парой червячных шестерен 61, 62 с противоположными направлениями резьбы. Шестерни 63, 64, сцепляющиеся с этими червячными шестернями 61, 62, прикреплены к концам кулачковых валов 54, 55. В этом варианте осуществления приводной двигатель 59 может приводиться в движение, чтобы изменять объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, в большом диапазоне. Следует отметить, что механизм A переменной степени сжатия, показанный на Фиг.1-3, является примерным. Может быть использован любой тип механизма переменной степени сжатия.

С другой стороны, Фиг.4 показывает механизм B регулирования фаз газораспределения, прикрепленный к концу кулачкового вала 70 для приведения в движение впускного клапана 7 на Фиг.1. Обращаясь к Фиг.4, этот механизм B регулирования фаз газораспределения снабжен зубчатым шкивом 71, вращаемым коленчатым валом двигателя через зубчатый ремень привода в направлении стрелки, цилиндрическим корпусом 72, вращающимся вместе с зубчатым шкивом 71, валом 73, способным вращаться вместе с кулачковым валом 70 привода впускного клапана и вращаться относительно цилиндрического корпуса 72, множеством частей 74, проходящих от внутренней окружности цилиндрического корпуса 72 к внешней окружности вала 73, и лопастями 75, проходящими между частями 74 от внешней окружности вала 73 к внутренней окружности цилиндрического корпуса 72, две стороны лопастей 75 сформированы с гидравлическими камерами 76 для опережения и используют гидравлические камеры 77 для запаздывания.

Подача рабочей жидкости на масляной основе в гидравлические камеры 76, 77 управляется клапаном 78 управления подачей рабочей жидкости на масляной основе. Этот клапан 78 управления подачей рабочей жидкости на масляной основе снабжен отверстиями 79, 80 для жидкости, соединенными с гидравлическими камерами 76, 77, отверстием 82 подачи рабочей жидкости на масляной основе, выпущенной из гидравлического насоса 81, парой сливных отверстий 83, 84 и золотниковым клапаном 85 для управления соединением и разъединением отверстий 79, 80, 82, 83 и 84.

Чтобы сдвинуть в сторону опережения фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана, на Фиг.4, золотниковый клапан 85 выполнен двигающимся вправо, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 79 к гидравлическим камерам 76 для опережения, а рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических камерах 77 для запаздывания стекает из сливного отверстия 84. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении стрелки.

В противоположность этому, чтобы задержать фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана, на Фиг.4, золотниковый клапан 85 выполнен двигающимся влево, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 80 к гидравлическим камерам 77 для запаздывания, а рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических камерах 76 для опережения стекает из сливного отверстия 83. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, противоположном стрелкам.

Когда вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72, если золотниковый клапан 85 возвращен в нейтральную позицию, показанную на Фиг.4, операция относительного вращения вала 73 заканчивается, и вал 73 удерживается в относительной вращающейся позиции в это время. Следовательно, можно использовать механизм B регулирования фаз газораспределения с тем, чтобы двигать в сторону опережения или запаздывания фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана на точную требуемую величину.

На Фиг.5 сплошная линия показывает, когда механизм B регулирования фаз газораспределения используется, чтобы наиболее сдвигать в сторону опережения фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана, в то время как прерывистая линия показывает, когда он используется, чтобы сдвигать в сторону запаздывания фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана. Следовательно, момент открытия впускного клапана 7 может быть свободно установлен между диапазоном, показанным сплошной линией на Фиг.5, и диапазоном, показанным прерывистой линией, следовательно, момент закрытия впускного клапана 7 может быть установлен в любом угле поворота коленчатого вала в диапазоне, показанном стрелкой C на Фиг.5.

Механизм B регулирования фаз газораспределения, показанный на Фиг.1 и 4, является одним примером. Например, может использоваться механизм регулирования фаз газораспределения или другие различные типы механизмов регулирования фаз газораспределения, способные изменять только момент закрытия впускного клапана, в то же время сохраняя постоянным момент открытия впускного клапана.

Далее, значение терминов, используемых в настоящей заявке, будет объяснено со ссылкой на Фиг.6. Следует отметить, что Фиг.6(A), 6(B) и 6(C) показывают в пояснительных целях двигатель с объемом камер сгорания в 50 мл и рабочим объемом цилиндра над поршнем в 500 мл. На этих Фиг.6(A), 6(B) и 6(C) объем камеры сгорания показывает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке сжатия.

Фиг.6(A) объясняет степень механического сжатия. Степень механического сжатия является величиной, определенной механически из рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания в момент такта сжатия. Эта степень механического сжатия выражается значением (объем камеры сгорания + рабочий объем)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на Фиг.6(A), эта степень механического сжатия становится (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.

Фиг.6(B) объясняет степень фактического сжатия. Эта степень фактического сжатия является величиной, определенной из фактического рабочего объема цилиндра от момента, когда действие сжатия фактически началось, до момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки, и объема камеры сгорания. Эта степень фактического сжатия выражается значением (объем камеры сгорания + фактический рабочий объем)/объем камеры сгорания. То есть, как показано на Фиг.6(B), даже если поршень начинает подниматься в ходе сжатия, действие сжатия не выполняется, пока открыт впускной клапан. Фактическое действие сжатия начинается после того, как впускной клапан закрывается. Следовательно, степень фактического сжатия выражается следующим образом с помощью фактического рабочего объема. В примере, показанном на Фиг.6(B), степень фактического сжатия становится (50 мл + 450 мл)/50 мл = 10.

Фиг.6(C) объясняет степень расширения. Степень расширения является величиной, определенной из рабочего объема цилиндра во время такта расширения и объема камеры сгорания. Эта степень расширения выражается значением (объем камеры сгорания + рабочий объем)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на Фиг.6(C), эта степень расширения равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.

Далее, наиболее важные признаки настоящего изобретения будут объяснены со ссылкой на Фиг.7 и 8. Следует отметить, что Фиг.7 показывает соотношение между теоретическим термическим кпд и степенью расширения, в то время как Фиг.8 показывает сравнение между обычным циклом и циклом сверхвысокой степени расширения, используемым выборочно в соответствии с нагрузкой в настоящем изобретении.

Фиг.8(A) показывает обычный цикл, когда впускной клапан закрывается рядом с нижней мертвой точкой, и действие сжатия посредством поршня начинается близко, по существу, от нижней мертвой точки сжатия. В примере, также показанном на этом Фиг.8(A), в том же способе, что и в примерах, показанных на Фиг.6(A), 6(B) и 6(C), объем камеры сгорания равен 50 мл, а рабочий объем цилиндра равен 500 мл. Как будет понятно из Фиг.8(A), в обычном цикле степень механического сжатия равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11, степень фактического сжатия также равна приблизительно 11, и степень расширения также равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11. То есть в обычном двигателе внутреннего сгорания степень механического сжатия, степень фактического сжатия и степень расширения становятся, по существу, одинаковыми.

Сплошная линия на Фиг.7 показывает изменение в теоретическом термическом кпд в случае, когда степень фактического сжатия и степень расширения, по существу, равны, то есть в обычном цикле. В этом случае, изучено, что чем больше степень расширения, то есть выше степень фактического сжатия, тем выше теоретический термический кпд. Следовательно, в обычном цикле, чтобы повысить теоретический термический кпд, степень фактического сжатия должна быть более высокой. Однако из-за ограничений на возникновение детонации во время работы двигателя при высокой нагрузке степень фактического сжатия может быть повышена только равномерно максимум приблизительно до 12, соответственно, в обычном цикле, теоретический термический кпд не может быть сделан достаточно высоким.

С другой стороны, в такой ситуации изобретатели строго различали между степенью механического сжатия и степенью фактического сжатия и изучаемым теоретическим термическим кпд и в результате обнаружили, что в теоретическом термическом кпд степень расширения является доминирующей, и на теоретический термический кпд почти совсем не влияет степень фактического сжатия. То есть, если степень фактического сжатия повышается, взрывная сила растет, но сжатие требует большой энергии, соответственно, даже если степень фактического сжатия повышается, теоретический термический кпд почти совсем не будет повышаться.

В противоположность этому, если повышается степень расширения, чем длиннее период, в течение которого сила действует как сила, придавливающая поршень в момент такта расширения, тем более продолжительно время, в течение которого поршень передает силу вращения коленчатому валу. Следовательно, чем больше степень расширения, тем более высоким становится теоретический термический кпд. Прерывистая линия ε=10 на Фиг.7 показывает теоретический термический кпд в случае фиксирования степени фактического сжатия в значении 10 и повышения степени расширения в этом состоянии. Таким образом, изучено, что величина роста теоретического термического кпд при повышении степени расширения в состоянии, когда степень фактического сжатия сохраняется на низком значении, и величина роста теоретического термического кпд в случае, когда степень фактического сжатия повышается вместе со степенью расширения, как показано сплошной линией на Фиг.7, почти не будут отличаться.

Если степень фактического сжатия удерживается на низком значении в этом способе, детонация не возникнет, следовательно, при повышении степени расширения в состоянии, где степень фактического сжатия удерживается на низком значении, возникновение детонации может быть предотвращено, и теоретический термический кпд может быть значительно повышен. Фиг.8(B) показывает пример случая, когда используется механизм A переменной степени сжатия и механизм B регулирования фаз газораспределения, чтобы поддерживать степень фактического сжатия на низком значении и повышать степень расширения.

Обращаясь к Фиг.8(B), в этом примере, используется механизм A переменной степени сжатия, чтобы уменьшить объем камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм B регулирования фаз газораспределения используется, чтобы задержать момент закрытия впускного клапана до тех пор, пока фактический рабочий объем поршня не изменится с 500 мл до 200 мл. В результате, в этом примере, степень фактического сжатия равна (20 мл + 200 мл)/20 мл = 11, а степень расширения равна (20 мл + 500 мл)/20 мл = 26. В обычном цикле, показанном на Фиг.8(A), как объяснено выше, степень фактического сжатия равна приблизительно 11, и степень расширения равна 11. По сравнению с этим случаем, в случае, показанном на Фиг.8(B), изучено, что только степень расширения повышается до 26. То есть причина в так называемом "цикле сверхвысокой степени расширения".

Как объяснено выше, вообще говоря, в двигателе внутреннего сгорания чем ниже нагрузка на двигатель, тем хуже термический кпд, следовательно, чтобы повысить термический кпд во время эксплуатации транспортного средства, то есть улучшить расход топлива, становится необходимым повышение термического кпд во время работы двигателя при низкой нагрузке. С другой стороны, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на Фиг.8(B), фактический рабочий объем поршня во время такта сжатия сделан меньшим, таким образом, объем всасываемого воздуха, который может быть подан в камеру 5 сгорания, становится меньшим, следовательно, этот цикл сверхвысокой степени расширения может применяться, только когда нагрузка на двигатель относительна мала. Следовательно, в настоящем изобретении, во время работы двигателя при низкой нагрузке устанавливается цикл сверхвысокой степени расширения, показанный на Фиг.8(B), в то время как во время работы двигателя при высокой нагрузке устанавливается обычный цикл, показанный на Фиг.8(A). Это является основным признаком настоящего изобретения.

Далее, оперативное управление в целом будет объяснено со ссылкой на Фиг.9.

Фиг.9 показывает изменения в степени механического сжатия, степени расширения, моменте закрытия впускного клапана 7, степени фактического сжатия, объеме всасываемого воздуха, степени открытия дроссельной заслонки 17 и насосной потере вместе с нагрузкой на двигатель при определенной скорости вращения двигателя. Следует отметить, что в варианте осуществления согласно настоящему изобретению обычно среднее соотношение воздух-топливо в камере 5 сгорания является обратной связью, контролируемой до стехиометрического соотношения воздух-топливо на основе выходного сигнала датчика 21 контроля состава смеси воздух-топливо, так что трехкомпонентный нейтрализатор в каталитическом нейтрализаторе 20 отработавших газов может одновременно уменьшать несгоревшие CH, CO и NO_X в выхлопном газе.

Теперь, как объяснено выше, во время работы двигателя при высокой нагрузке выполняется обычный цикл, показанный на Фиг.8(A). Следовательно, как показано на Фиг.9, в это же время, так как степень механического сжатия понижена, степень расширения понижается. Как показано сплошной линией внизу на Фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается в сторону опережения, как показано сплошной линией на Фиг.5. Кроме того, в это время объем всасываемого воздуха велик. В это же время, степень открытия дроссельной заслонки 17 сохраняется полностью открытой или, по существу, полностью открытой, таким образом, насосная потеря становится нулевой.

С другой стороны, как показано сплошной линией на Фиг.9, если нагрузка на двигатель становится ниже, момент закрытия впускного клапана 7 задерживается так, чтобы уменьшать объем всасываемого воздуха вместе с нагрузкой. Дополнительно, в это время степень механического сжатия увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже, как показано на Фиг.9, так что степень фактического сжатия удерживается, по существу, постоянной. Следовательно, степень расширения также увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже. Следует отметить, что также в это время дроссельная заслонка 17 удерживается в полностью открытом или по существу полностью открытом состоянии. Следовательно, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, управляется изменением момента закрытия впускного клапана 7 безотносительно дроссельной заслонки 17. Также в это время насосные потери становятся нулевыми.

В этом способе, когда нагрузка на двигатель снижается от рабочего состояния двигателя при высокой нагрузке, степень механического сжатия увеличивается, когда объем всасываемого воздуха уменьшается, по существу, при постоянной степени фактического сжатия. То есть объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, уменьшается пропорционально уменьшению в объеме всасываемого воздуха. Следовательно, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально объему всасываемого воздуха. Следует отметить, что в это время соотношение воздух-топливо в камере 5 сгорания становится стехиометрическим соотношением воздух-топливо, таким образом, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально количеству топлива.

Если нагрузка на двигатель дополнительно падает, степень механического сжатия дополнительно увеличивается. Если нагрузка на двигатель падает до средней нагрузки L₁, отчасти близкой к низкой нагрузке, степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия из-за структурного ограничения камеры 5 сгорания. Если степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия, в области нагрузки, где нагрузка ниже, чем нагрузка L₁ на двигатель, когда степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия, степень механического сжатия удерживается на предельной степени механического сжатия. Следовательно, во время работы двигателя со средней нагрузкой со стороны низкой нагрузки и во время работы двигателя с низкой нагрузкой, то есть при работе двигателя с низкой нагрузкой, степень механического сжатия становится максимальной, и степень расширения становится максимальной. Другими словами, с позиции работы двигателя с низкой нагрузкой, степень механического сжатия делается максимальной, так что получается максимальная степень расширения.

С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на Фиг.9, несмотря на нагрузку на двигатель, как показано сплошной линией на Фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 задерживается, когда нагрузка на двигатель становится ниже. Дополнительно, в варианте осуществления, показанном на Фиг.9, в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается в максимальной степени механического сжатия, устанавливается предварительно определенная нагрузка L₂. Когда нагрузка на двигатель ниже, чем предварительно определенная нагрузка L₂, степень открытия дроссельной заслонки 17 становится меньше, когда нагрузка на двигатель становится меньше. С другой стороны, когда нагрузка на двигатель выше, чем предварительно определенная нагрузка L₂, дроссельная заслонка 17 удерживается в полностью открытом состоянии.

С другой стороны, как показано на Фиг.9, когда нагрузка на двигатель выше, чем L₁, то есть при работе двигателя с высокой нагрузкой, степень фактического сжатия удерживается, по существу, в той же степени фактического сжатия относительно той же скорости двигателя. В противоположность этому, когда нагрузка на двигатель ниже, чем L₁, то есть, когда степень механического сжатия удерживается в предельной степени механического сжатия, степень фактического сжатия определяется моментом закрытия впускного клапана 7. Как показано на Фиг.9, если момент закрытия впускного клапана задерживается, когда нагрузка на двигатель становится ниже, степень фактического сжатия падает, чем ниже нагрузка на двигатель.

В этом отношении, объем всасываемого воздуха в камеру сгорания 5 может управляться посредством управления моментом закрытия впускного клапана 7 и может управляться посредством управления степенью открытия дроссельной заслонки 17. В этом отношении, при попытке управлять объемом всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания посредством управления только моментом закрытия впускного клапана 7, когда степень механического сжатия сохраняется в максимальной степени механического сжатия, степень фактического сжатия будет падать, когда нагрузка на двигатель становится ниже. Однако, в этом способе, если степень фактического сжатия падает, температура внутри камеры 5 сгорания в конце сгорания падает, и в результате зажигание и сгорание топлива ухудшаются.

С другой стороны, при закрытии дроссельной заслонки 17 дросселирующее воздействие дроссельной заслонки 17 на поток всасываемого воздуха вызывает возмущения внутри камеры 5 сгорания и, следовательно, позволяет улучшать зажигание и сгорание топлива. Следовательно, при использовании дроссельной заслонки 17 для того, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, становится возможным улучшать зажигание и сгорание топлива. Однако при использовании дроссельной заслонки 17 для того, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, возникают насосные потери.

Следовательно, если покрывать ухудшение зажигания и сгорания топлива, вызванное управлением моментом закрытия впускного клапана 7, посредством действия закрытия дроссельной заслонки 17, то есть при делении управления объемом всасываемого воздуха в камеру сгорания между управлением моментом закрытия впускного клапана 7 и управлением дроссельной заслонкой 17, может быть получено хорошее зажигание и сгорание с малыми насосными потерями. В этом случае такое управление должно выполняться, когда степень фактического сжатия падает до определенной степени или более.

Следовательно, в настоящем варианте осуществления, когда нагрузка на двигатель выше, чем предварительно определенная нагрузка L₂, момент закрытия впускного клапана 7 управляется, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, в то время как, когда нагрузка ниже, чем предварительно определенная нагрузка L₂, момент закрытия впускного клапана 7 и степень открытия дроссельной заслонки 17 управляются так, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания.

В этом отношении, как пояснено выше, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на Фиг.8(B), степень расширения становится равной 26. Чем выше эта степень расширения, тем лучше, но, как будет понятно из Фиг.7, при 20 или более очень высокий теоретический термический кпд может быть получен даже для практически осуществимой степени фактического сжатия ε=5. Следовательно, в настоящем варианте осуществления механизм A переменной степени сжатия сформирован так, что степень фактического расширения становится равной 20 или более.

С другой стороны, как показано прерывистой линией на Фиг.9, можно управлять объемом всасываемого воздуха даже независимо от дроссельной заслонки 17, сдвигая в сторону опережения момент закрытия впускного клапана 7, когда нагрузка на двигатель уменьшается. Следовательно, если выражать изобретение так, чтобы охватывать и случай, показанный сплошной линией, и случай, показанный прерывистой линией на Фиг.9, в варианте осуществления согласно настоящему изобретению момент закрытия впускного клапана 7 перемещается в направлении от нижней мертвой точки BDC впуска, когда нагрузка на двигатель становится ниже.

Фиг.10 показывает программу оперативного управления. Обращаясь к Фиг.10, сначала, на этапе 100, вычисляется заданная степень фактического сжатия. Далее, на этапе 101, момент IC закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия, показанного на Фиг.11(A). То есть момент IC закрытия впускного клапана 7, требуемый для подачи требуемого объема всасываемого воздуха внутрь камеры 5 сгорания, сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, как показано на Фиг.11(A), заранее в ПЗУ 32. Из этого соответствия вычисляется момент IC закрытия впускного клапана 7.

Далее, на этапе 102 вычисляется степень механического CR сжатия. Далее, на этапе 103 вычисляется степень открытия дроссельной заслонки 17. Степень θ открытия этой дроссельной заслонки 17 сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, которое показано на Фиг.11(B), заранее в ПЗУ 32. Далее, на этапе 104, механизм A переменной степени сжатия управляется так, что степень механического сжатия становится степенью механического CR сжатия, механизм B регулирования фаз газораспределения управляется так, что момент закрытия впускного клапана 7 становится моментом IC закрытия, и дроссельная заслонка 17 управляется так, что степень открытия дроссельной заслонки 17 становится степенью θ открытия.

Claims

1. Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм переменной степени сжатия, выполненный с возможностью изменения степени механического сжатия, механизм регулирования фаз газораспределения, выполненный с возможностью управления моментом закрытия впускного клапана, и дроссельную заслонку, размещенную во впускном канале двигателя, для управления объемом всасываемого воздуха, при этом момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от нижней мертвой точки впуска, когда нагрузка на двигатель уменьшается с высокой нагрузки на двигатель до низкой нагрузки на двигатель, причем степень механического сжатия сохраняется в максимальной степени механического сжатия при работе двигателя с низкой нагрузкой и увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже при работе двигателя с высокой нагрузкой, так что степень фактического сжатия становится постоянной, при этом предварительно определенная нагрузка устанавливается в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается в максимальной степени механического сжатия, причем дроссельная заслонка удерживается в полностью открытом состоянии между нагрузкой на двигатель, когда нагрузка на двигатель падает и степень механического сжатия достигает максимальной степени механического сжатия, и предварительно определенной нагрузкой в области, где нагрузка ниже, чем предварительно определенная нагрузка, причем степень открытия дроссельной заслонки становится меньше, когда нагрузка на двигатель становится ниже, и момент закрытия впускного клапана перемещается в направлении от верхней мертвой точки впуска, и в области нагрузки, где степень механического сжатия поддерживается в максимальной степени механического сжатия, степень фактического сжатия понижается, когда нагрузка на двигатель падает.

2. Двигатель по п.1, в котором степень расширения во время максимальной степени механического сжатия равна 20 или более.