JP4604358B2 - Internal combustion engine and control system thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関及びその制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ピストンが下死点にあるときの燃焼室側の容積であるシリンダ容積と、ピストンが上死点にあるときの燃焼室側の容積である隙間容積と、の比は圧縮比εと呼ばれている。一方、作動ガス容積の最大値である有効シリンダ容積と作動ガス容積の最小値である有効隙間容積と、の比は有効圧縮比ε′と呼ばれ、両者は熱力学的取り扱い上では区別されている。
【0003】
ピストン上死点位置を変化させることにより、圧縮比εを可変制御する複リンク式ピストンストローク可変機構が、本出願人により、本願に先行して出願されている。
【0004】
このようなピストンストローク可変機構が採用されたいわゆる可変圧縮比エンジンにおいては、圧縮比εは、基本的に従来の固定圧縮比エンジンより概略高い側で使うことになる。
【0005】
また、可変圧縮比エンジンの場合、過給機と組み合わせて比出力の向上を図る考え方があるが、この場合は図14に示すように、過給時では圧縮比εを固定圧縮比エンジンの固定圧縮比よりも相対的に減少させる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストンストロークによって決定される圧縮比ε大きくした場合、図14に示すように、上死点位置での燃焼室のS/V比(燃焼室表面積/燃焼室体積)が増大するため、燃焼時の冷却損失が大きくなるという問題がある。
【0007】
また、上死点位置での燃焼室のS/V比が大きく、かつ有効圧縮比ε′が高くない場合には、燃焼室での火炎伝播が遅くなり、圧縮比εを機関運転条件に応じて制御することで得られる燃費性能向上の効果が減殺される傾向が生じるという問題がある。
【0008】
一方、上死点位置での燃焼室のS/V比は、図15に示すように、吸排気弁のバルブ挟角を減少させると減少するが、バルブ挟角を小さくすると、これまでのエンジンでは、吸排気弁の弁径も小さくなり、高速での吸気量が減少して出力が低下する他に、吸排気弁を駆動するカムシャフト間の距離が小さくなるため、通常のようなスプロケットによるチェーンレイアウトが難しくなるなど、トレードオフの発生が避けられないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は、上死点位置での燃焼室のS/V比を増大させずに、かつ出力性能悪化等のトレードオフを招かないエンジン構成を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項1に記載の発明は、駆動軸に回転可能かつ揺動可能に装着された揺動カムの揺動によって、吸気弁及び排気弁の双方をリフトする内燃機関において、前記揺動カムの揺動中心に対して、吸気弁及び排気弁の双方のバルブステムの中心線が、燃焼室中心を通る軸線側に位置することを特徴としている。これによって、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなくバルブ挟角を小さくでき、相対的に上死点位置でのS/V比が小さくなる。
【0011】
また、前記揺動カムは、前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大,縮小制御可能なリフト・作動角可変機構の構成部材である。
【0012】
前記リフト・作動角可変機構は、前記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、前記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ前記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、前記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、前記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のバルブリフタを押圧する前記揺動カムと、を備えており、前記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されている。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、ピストン上死点位置を変化させるピストンストローク可変機構と、内燃機関の回転数及び負荷を検出する手段とを有し、内燃機関の回転数及び負荷に応じて、前記ピストンストローク可変機構と前記リフト・作動角可変機構とを制御することを特徴としている。ピストン上死点位置を変化させることで、圧縮比εを可変制御可能となる。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、内燃機関の負荷が小さい状態においては、内燃機関の圧縮比εが高くなるよう前記ピストンストローク可変機構を制御すると共に、前記吸気弁の閉時期を下死点から遠ざけることによって、内燃機関の有効圧縮比ε′を低下させていることを特徴としている。圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加によるS/V比の増加が抑制される。
【0015】
請求項4に記載の発明は、請求項2または3に記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されるアッパーリンクと、このアッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアーリンクと、クランクシャフトに対して略平行に延びるコントロールシャフトと、一端が前記コントロールシャフトに揺動可能に連結されると共に、他端が前記ロアーリンクに連結され、前記コントロールシャフトに対する揺動中心が、前記コントロールシャフトの回転中心に対して偏心した制御リンクと、を有し、前記コントロールシャフトを回動させることによって、ピストン上死点位置を変化させることを特徴としている。
【0016】
請求項5に記載の発明は、請求項2〜4のいずれかに記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構により、前記ピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動としたことを特徴としている。ピストンストローク可変機構は、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを有する複リンク式の機構であるためピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動にすることが可能となる。
【0017】
請求項6に記載の発明は、請求項2〜5のいずれかに記載の発明において、内燃機関の回転数が高い状態においては、前記吸気弁及び前記排気弁あるいはその一方のリフト・作動角を拡大制御することを特徴としている。バルブ挟角が小さくなると、吸排気弁の弁径は相対的に減少するが、内燃機関の負荷が大きいときには、弁径の減少量に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【0018】
請求項7に記載の発明は、請求項2〜6のいずれかに記載の発明において、前記内燃機関の負荷の検出手段として、吸入負圧、吸入空気量、スロットル開度もしくは燃料噴射量のいずれかを用いていることを特徴としている。
【0019】
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれかに記載の発明において、前記バルブリフタの中心に対して、前記揺動カムの揺動中心を燃焼室中心を通る前記軸線に関して外側に配置し、かつ前記吸気弁及び排気弁、あるいはその一方が最大リフトされたときに、前記バルブリフタに対する前記揺動カムの接触位置が、燃焼室中心を通る前記軸線から最も遠ざかるように前記バルブリフタを駆動させることを特徴としている。
【0020】
請求項9に記載の発明は、請求項1〜8のいずれかに記載の発明において、前記吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構を有していることを特徴としている。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなく吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることができる。また、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることで、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのS/V比を相対的に小さくでき、冷却損失が低減することができる。
【0022】
そして、請求項2のように、ピストンストローク可変機構により圧縮比εを運転条件に応じて可変制御する場合においても、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのS/V比を相対的に小さくすることができ、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【0023】
請求項3では、圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加による上死点位置でのS/V比の増加が抑制される。すなわち、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【0024】
請求項5のようにすれば、2次振動を低減することができる。
【0025】
また、請求項6では、内燃機関の負荷が大きい条件では、バルブ挟角を小さくすることで減少した吸気弁の弁径に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【0026】
そして、請求項8のようにすれば、吸排気弁のバルブ挟角の設定範囲を大きくすることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0028】
図1は、内燃機関の吸気弁側可変動弁機構の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁4のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構1と、そのリフトの中心角の位相(図示せぬクランクシャフトに対する位相)を進角もしくは遅角させる位相可変機構2と、が組み合わされて構成されている。
【0029】
図2は、リフト・作動角可変機構1のみを示しており、図1および図2に基づいて、このリフト・作動角可変機構1を説明する。
【0030】
リフト・作動角可変機構1は、シリンダヘッド3に図示せぬバルブガイドを介して摺動自在に設けられた吸気弁と、シリンダヘッド3上部のカムブラケット5に回転自在に支持された中空状の駆動軸6と、この駆動軸6に、圧入等により固定された偏心カム7と、駆動軸6の上方位置に同じカムブラケット5に回転自在に支持されるとともに駆動軸6と平行に配置された制御軸8と、この制御軸8の偏心カム部9に揺動自在に支持されたロッカアーム10と、各吸気弁の上端部、すなわちバルブステム4の上端部に配置されたバルブリフタ11に当接する揺動カム12と、を備えている。偏心カム7とロッカアーム10とはリンクアーム13によって連係されており、ロッカアーム10と揺動カム12とは、リンク部材14によって連係されている。
【0031】
駆動軸6は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【0032】
偏心カム7は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸6の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム13の環状部13aが回転可能に嵌合している。
【0033】
ロッカアーム10は、略中央部が偏心カム部9によって支持されており、その一端部に、リンクアーム13の延長部13bが連係しているとともに、他端部に、リンク部材14の上端部が連係している。偏心カム部9は、制御軸8の軸心から偏心しており、従って、制御軸8の角度位置に応じてロッカアーム10の揺動中心は変化する。
【0034】
揺動カム12は、駆動軸6の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びたカムノーズ部12aに、リンク部材14の下端部が連係している。この揺動カム12の下面には、駆動軸6と同心状の円弧をなす基円面15aと、該基円面15aから端部12aへと所定の曲線を描いて延びるカム面15bと、が形成されており、これらの基円面15aならびにカム面15bが、揺動カム12の揺動位置に応じてバルブリフタ11の上面に当接するようになっている。
【0035】
すなわち、基円面15aはベースサークル区間として、リフト量が0となる区間であり、揺動カム12が揺動してカム面15bがバルブリフタ11に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【0036】
そして、揺動カム12の揺動中心Q、すなわち駆動軸6の軸心Qに対して、吸気弁のバルブステム4中心軸の延長線Lが、図2における右側、すなわち燃焼室中心を通る軸線R(詳細は後述、図2中には図示せず)側に位置するよう構成されている。
【0037】
制御軸8は、図1に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ16によって所定回転角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ16への油圧供給は、エンジンコントロールユニット17からの制御信号に基づき、第1油圧制御部18によって制御されている。尚、アクチュエータ16は、このアクチュエータ16の駆動油圧がOFFの条件において、吸気弁を小リフト・小作動角側に付勢するよう構成されている。
【0038】
このリフト・作動角可変機構1の作用を説明すると、駆動軸6が回転すると、偏心カム7のカム作用によってリンクアーム13が上下動し、これに伴ってロッカアーム10が揺動する。このロッカアーム10の揺動は、リンク部材14を介して揺動カム12へ伝達され、該揺動カム12が揺動する。この揺動カム12のカム作用によって、バルブリフタ11が押圧され、吸気弁がリフトする。
【0039】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ16を介して制御軸8の角度が変化すると、ロッカアーム10の初期位置が変化し、ひいては揺動カム12の初期揺動位置が変化する。
【0040】
例えば偏心カム部9が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム10は全体として上方へ位置し、揺動カム12のカムノーズ部12aが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム12の初期位置は、そのカム面15bがバルブリフタ11から離れる方向に傾く。従って、駆動軸6の回転に伴って揺動カム12が揺動した際に、基円面15aが長くバルブリフタ11に接触し続け、カム面15bがバルブリフタ11に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【0041】
逆に、偏心カム部9が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム10は全体として下方へ位置し、揺動カム12の端部12aが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム12の初期位置は、そのカム面15bがバルブリフタ11に近付く方向に傾く。従って、駆動軸6の回転に伴って揺動カム12が揺動した際に、バルブリフタ11と接触する部位が基円面15aからカム面15bへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【0042】
偏心カム部9の位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図3に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大,縮小させることができる。特に、このものでは、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【0043】
次に、位相可変機構2は、図1に示すように、駆動軸6の前端部に設けられたスプロケット19と、このスプロケット19と駆動軸6とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ20と、から構成されている。スプロケット19は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。位相制御用油圧アクチュエータ20への油圧供給は、エンジンコントロールユニット17からの制御信号に基づき、第2油圧制御部21によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ20への油圧制御によって、スプロケット19と駆動軸6とが相対的に回転し、図4に示すように、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構2としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【0044】
尚、リフト・作動角可変機構1ならびに位相可変機構2の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【0045】
図5は、本願と同一出願人によって提案された複リンク式ピストンストローク可変機構24を示している。
【0046】
このピストンストローク可変機構24は、各気筒のピストン25にピストンピン26を介して一端が連結されたアッパーリンク27と、このアッパーリンク27の他端にアッパーリンクピン28を介して揺動可能に連結されると共に、クランクシャフト29のクランクピン30に連結されるロアーリンク31と、クランクシャフト29と略平行に延びるコントロールシャフト32と、一端がコントロールシャフト32に揺動可能に連結されると共に、他端が制御リンクピン33を介してロアーリンク31に揺動可能に連結される制御リンク34と、を有している。
【0047】
コントロールシャフト32には、制御リンク34の一端に設けられたベアリング(図示せず)に回転可能に支持されるピンジャーナル(図示せず)が、クランクシャフト29の軸方向に間欠的に形成されている。
【0048】
このピンジャーナルの回転中心P1は、コントロールシャフト32の回転中心P2に対して所定量偏心しており、この回転中心P1を揺動支点として、制御リンク34がコントロールシャフト32に対して揺動する。
【0049】
従って、コントロールシャフト32が回動すると、制御リンク34の揺動支点P1の位置が変化し、これに伴って、ピストン上死点位置が変化する。すなわち、ピストン上死点位置での燃焼室側の容積とピストン下死点位置での燃焼室側の容積の比によって定義される内燃機関の圧縮比εを増減させることができる。
【0050】
尚、コントロールシャフト32は、ウォーム35及びウォームホイール36を介して接続されたアクチュエータ37を駆動源として回転駆動され、このアクチュエータ37は、エンジンコントロールユニット17により機関運転状態に応じて駆動制御される。
【0051】
また、ピストンストローク可変機構の制御としては、実際のピストンストロークを検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【0052】
図6は、本願発明の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図であって、上述した図1に示す内燃機関の吸気弁側可変動弁機構と上述した図5の示すピストンストローク可変機構とを組み合わせたものである。
【0053】
ここで、38はノッキングの強度を検出するノック検出手段としてのノックセンサであり、このノックセンサ38の検出値はコントロールユニット17に入力される。また、ピストンストローク可変機構のコントロールシャフト32の駆動源であるアクチュエータ37は、コントロールユニット17からの指令に基づいて駆動制御される。
【0054】
また、本実施例においては、クランク角センサによって内燃機関の回転数を、スロットル弁の開度によって内燃機関の負荷を、それぞれ検出し、これらの各検出値は、エンジンコントロールユニット17へ入力される。そして、39は、エンジンコントロールユニット17からの指令に基づいて、点火時期を調整する点火時期調整手段である点火進角装置である。
【0055】
尚、内燃機関の負荷の検出手段としては、スロットル弁の開度ではなく、吸入負圧、吸入空気量もしくは燃料噴射量のいずれかを用いることも可能である。
【0056】
図7は、リフト・作動角可変機構1、位相可変機構2及びピストンストローク可変機構とが組み合わされた内燃機関において、ピストンストロークによる燃焼室の容積変化のみで決まる圧縮比εの制御特性を示している。
【0057】
一方、有効圧縮比ε′は、機関運転状態に応じて最適制御される図8に示すような吸気弁閉時期(IVC)によって決まることになる。
【0058】
アイドル及び部分負荷(R/L等)の運転条件▲1▼、▲2▼(図8を参照)では、吸気弁のリフト・作動角は比較的小さく、IVCも下死点より相当早く閉じる特性となる。これにより、大幅なポンプ損失の低減が図れるが、圧縮比εが従来機関並だと有効圧縮比ε′が低下して燃焼が悪化するため、図7に示すように、このような低負荷領域では圧縮比εを高めている。
【0059】
加速領域での運転条件▲3▼(図8を参照)では、吸気充填効率を高める必要から、IVCが下死点に近づく方向に制御するため、有効圧縮比ε′を低下させることが、ノッキングの発生を事前に防止する上からも必要となる。
【0060】
全開出力での運転条件では、最大限に吸気量を確保するため、有効圧縮比ε′も高くなる。そのためピストンストロークによって決定される圧縮比εを低下させ、全開の低速条件▲4▼(図8を参照)では、従来機関並に近づけることが必要となる。全開の高速条件▲5▼(図8を参照)では、ノッキングの発生要因となる過酸化物等の化学反応が進行する前に燃焼が終わるため、ピストンストロークによって決定される圧縮比εは低速条件のときよりも高くすることができる。これにより、膨張比も高くなるため、排気温度が低下し、排気系に配置された触媒の劣化を緩和できるメリットもある。
【0061】
尚、このように運転状態に応じて決定される吸気弁のリフト・作動角、中心角Φ及びピストンストロークによって決定される圧縮比εは、予め用意された制御マップに基づいて制御され、通常のスロットル開度、もしくはアクセル開度による点火進角制御も合わせて行われる。
【0062】
図9に示すリフト・作動角可変機構は、上述した本願発明のリフト・作動角可変機構1とは異なり、揺動カム12′の揺動中心Q′(駆動軸の軸心)が、バルブステム4′中心線の延長線L′上に位置している。これは、従来のカム機構と同じ配置になっている。
【0063】
従来のカム機構の場合、バルブリフタの当接するカムはフル回転するため、バルブリフタの中心線上にカム軸の中心があるのが最も合理的であるが、バルブリフタに当接するカムが揺動カム方式の場合、カムはフル回転しないため、バルブリフタと組み合わせて使用する場合ある程度自由度が得られる。
【0064】
図10は、本願発明の要部を示す断面図であって、バルブステム4中心線の傾きを立て、バルブ挟角を小さくした場合のレイアウトである。
【0065】
バルブリフタ11は、その中心が燃焼室中心を通る軸線R側、すなわち図10における左側に配置されているが、揺動カム11の配置はそのままである。
【0066】
詳述すれば、燃焼室を基準として、揺動カム12の揺動中心Qがバルブリフタ11の中心よりも外側(図10における右側)に配置されており、吸気弁が最大リフトした時に、バルブリフタ11に対する揺動カム12の接触位置が上記軸線Rから最も遠ざかるように、バルブリフタ11は駆動される。換言すれば、揺動カム12は、カムノーズ部12aが上記軸線R側(図10における左側)を向いた姿勢で、バルブリフタ11を駆動する構成となっている。
【0067】
揺動カム12のカムノーズ部12aが上記軸線R側に向いていれば、このようなバルブリフタ11との位置関係の変更に問題はなく、むしろ揺動カム12とバルブリフタ11との接点が、バルブリフタ11中心付近になるため、バルブリフタ11に作用するモーメントが軽減するという効果がある。
【0068】
すなわち、比較的広い範囲で、吸排気弁のバルブ挟角を変えられるメリットが揺動カム12とバルブリフタ11との組み合わせにおいて得ることができる。
【0069】
従来のエンジンのカム駆動の場合、このようにバルブ挟角を変えるには、大きな設計変更となる。例えば、カムシャフトの位置が変わるので、エンジンフロント側の駆動レイアウトは全面変更となる。また、スプロケット間の距離が近い場合は、他の駆動方式に移行しなければならない。カムシャフトの配置変更に伴うシリンダヘッド上面のレイアウトも全面変更となり、全く新規のシリンダヘッドとなる。
【0070】
これに対し、図9から図10への変更の場合、シリンダヘッド内部のポート形状及びウォータジャケット形状などの鋳型変更と、バルブリフタ及びバルブステムの加工変更、バルブ及びバルブシートなどの部品変更だけで済むため、多くのバリエーションの設定も可能である。
【0071】
図11は、吸排気弁に適用した実施例である。揺動カム12のカムノーズ部12aを対向させるように配置することで、吸排気弁の挟角θの許容範囲を大きくとることができ、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることが可能となる。
【0072】
図12に、吸気弁のリフト・作動角を拡大した場合の比出力の向上効果を示す。吸気の平均流速が増大しないようにバルブ挟角を小さくすることにより吸気弁の弁径が減少した分、高速時、すなわち内燃機関の回転数が高い時の吸気弁のリフト・作動角を拡大することができれば、出力の低下を補うことができる。これは、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大,縮小制御可能なリフト・作動角可変機構を備えたエンジンに適用した場合の大きな利点メリットである。
【0073】
図13は、上述したピストンストローク可変機構24で得られるピストンストローク特性を示している。従来からある一般的な単リンク式のクランク機構に比べ、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを備えた複リンク式のピストンストローク可変機構24では単振動に近いピストンストローク特性を得ることが可能となる。
【0074】
このように単振動に近いピストンストローク特性の場合、2次振動が低減できるため振動特性を大幅に改良することができる。
【0075】
また、上死点付近でのピストン速度が遅くなるために冷却損失の点では不利ではあるが、燃焼室内の混合気は燃えやすく、そして、ピストンがすぐに下がり、すぐトルク変換される訳ではないので静粛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】可変動弁機構を示す構成説明図。
【図2】リフト・作動角可変機構の要部断面図。
【図3】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図4】位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。
【図5】内燃機関の断面図にして、ピストンストローク可変機構を示す説明図。
【図6】内燃機関の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図。
【図7】ピストンストローク可変機構によって決定される圧縮比εのエンジン運転条件に対応した制御特性を示す特性線図。
【図8】エンジンの運転条件の変化に伴う吸気弁の開閉時期の変化を示す説明図。
【図9】バルブリフタ中心の延長線上に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図10】本発明の要部を示す断面図にして、バルブリフタ中心の延長線上の外側に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図11】本発明に係る内燃機関のバルブ制御システムを吸気弁と排気弁に適用した場合を示す、内燃機関の上部の断面図。
【図12】吸気弁のリフト・作動角と比出力との相関関係を示す特性線図。
【図13】単リンク式クランク機構のピストンストローク特性と複リンク式ピストンストローク可変機構のピストンストローク特性とを比較した特性線図。
【図14】高膨張比システムの圧縮比使用範囲と上死点位置でのS/V比の関係を示す特性線図。
【図15】吸排気弁のバルブ挟角と上死点位置でのS/V比の関係を示す特性線図。
【符号の説明】
1…リフト・作動角可変機構
2…位相可変機構
24…ピストンストローク可変機構
4…バルブステム
6…駆動軸
11…バルブリフタ
12…揺動カム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine and a control system thereof.
[0002]
[Prior art]
The ratio of the cylinder volume, which is the volume on the combustion chamber side when the piston is at bottom dead center, and the gap volume, which is the volume on the combustion chamber side when the piston is at top dead center, is called the compression ratio ε. Yes. On the other hand, the ratio between the effective cylinder volume, which is the maximum value of the working gas volume, and the effective gap volume, which is the minimum value of the working gas volume, is called the effective compression ratio ε ′. Yes.
[0003]
A multi-link type piston stroke variable mechanism that variably controls the compression ratio ε by changing the piston top dead center position has been filed by the present applicant prior to the present application.
[0004]
In a so-called variable compression ratio engine employing such a piston stroke variable mechanism, the compression ratio ε is basically used on the higher side than the conventional fixed compression ratio engine.
[0005]
In the case of a variable compression ratio engine, there is a concept of improving the specific output in combination with a supercharger. In this case, as shown in FIG. 14, the compression ratio ε is fixed to the fixed compression ratio engine during supercharging. Reduce relative to compression ratio.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the compression ratio ε determined by the piston stroke is increased, the S / V ratio (combustion chamber surface area / combustion chamber volume) of the combustion chamber at the top dead center position increases as shown in FIG. There is a problem that the cooling loss at the time increases.
[0007]
Further, when the S / V ratio of the combustion chamber at the top dead center position is large and the effective compression ratio ε ′ is not high, flame propagation in the combustion chamber becomes slow, and the compression ratio ε depends on the engine operating conditions. Therefore, there is a problem that the effect of improving the fuel efficiency obtained by the control tends to be reduced.
[0008]
On the other hand, as shown in FIG. 15, the S / V ratio of the combustion chamber at the top dead center position decreases when the valve clamping angle of the intake / exhaust valve is decreased. In addition, the valve diameter of the intake / exhaust valve becomes smaller, the intake amount at high speed decreases, the output decreases, and the distance between the camshafts that drive the intake / exhaust valve becomes smaller. There is a problem that trade-offs are inevitable, such as difficulty in chain layout.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an engine configuration that does not increase the S / V ratio of the combustion chamber at the top dead center position and does not cause a tradeoff such as deterioration of output performance.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the invention according to claim 1 is directed to the intake valve and the exhaust valve by swinging the swing cam that is rotatably and swingably mounted on the drive shaft.Both sidesIn an internal combustion engine that lifts the shaft,SuckAir valve and exhaust valveBoth sidesThe center line of the valve stem is, BurningIt is characterized by being located on the axis line passing through the center of the firing chamber. As a result, the valve clamping angle can be reduced without changing the layout of the drive shaft and the swing cam, and the S / V ratio at the top dead center position is relatively reduced.
[0011]
Also,The swing cam is a component of a variable lift / operating angle mechanism that can simultaneously and continuously expand and contract the lift / operating angle of the intake valve or the exhaust valve..
[0012]
in frontThe lift / operating angle variable mechanism includes an eccentric cam that is rotationally driven by the drive shaft, a link arm that is fitted to the outer periphery of the eccentric cam so as to be relatively rotatable, and an eccentric cam that is provided in parallel with the drive shaft. A rotatable control shaft provided with a portion, a rocker arm that is rotatably mounted on an eccentric cam portion of the control shaft and is rocked by the link arm, and is rotatably supported by the drive shaft, And an oscillating cam that presses a valve lifter of the intake valve or the exhaust valve by oscillating along with the rocker arm and oscillating with the rocker arm, and an eccentric cam portion of the control shaft The lift / operating angle of the intake valve or the exhaust valve is increased or decreased at the same time by changing the rotation position of the intake valve.The
[0013]
Claim2The invention described in claim1The piston stroke variable mechanism for changing the piston top dead center position and means for detecting the rotational speed and load of the internal combustion engine, and the piston stroke according to the rotational speed and load of the internal combustion engine. The variable mechanism and the lift / operating angle variable mechanism are controlled. The compression ratio ε can be variably controlled by changing the piston top dead center position.
[0014]
Claim3The invention described in claim2In the invention described in the above, when the load of the internal combustion engine is small, the piston stroke variable mechanism is controlled so that the compression ratio ε of the internal combustion engine becomes high, and the closing timing of the intake valve is kept away from the bottom dead center. The effective compression ratio ε ′ of the internal combustion engine is reduced. While maintaining good combustion by increasing the compression ratio ε, reducing the effective compression ratio ε ′ enables a reduction in pump loss and suppresses an increase in the S / V ratio due to an increase in the compression ratio ε. The
[0015]
Claim4The invention described in claim2Or3In the invention described in the above, the piston stroke variable mechanism is substantially the same as an upper link connected at one end to a piston pin of a piston, a lower link connected to the upper link and a crank pin of a crankshaft, and the crankshaft. A control shaft extending in parallel and one end of the control shaft are swingably connected to the control shaft, the other end is connected to the lower link, and the swing center with respect to the control shaft is relative to the rotation center of the control shaft. And an eccentric control link, and the piston top dead center position is changed by rotating the control shaft.
[0016]
Claim5The invention described in claim2~4In any one of the inventions, the piston stroke variable mechanism is characterized in that a stroke characteristic related to crank rotation of the piston is substantially simple vibration. Since the piston stroke variable mechanism is a multi-link mechanism having an upper link, a lower link, and a control link, the stroke characteristics related to the crank rotation of the piston can be made to be substantially simple vibration.
[0017]
Claim6The invention described in claim2~5In any one of the inventions, when the rotational speed of the internal combustion engine is high, the lift / operating angle of the intake valve and / or the exhaust valve is controlled to be enlarged. The valve diameter of the intake / exhaust valve relatively decreases as the valve squeezed angle decreases. However, when the load on the internal combustion engine is large, the output decreases by increasing the lift and operating angle according to the amount of decrease in the valve diameter. Can be supplemented.
[0018]
Claim7The invention described in claim2~6In the invention according to any one of the above, any one of intake negative pressure, intake air amount, throttle opening, and fuel injection amount is used as the load detecting means of the internal combustion engine.
[0019]
Claim8The invention described in claim1~7In the invention described in any one of the above, with respect to the center of the valve lifter, the swing center of the swing cam is disposed on the outside with respect to the axis passing through the center of the combustion chamber, and the intake valve and / or the exhaust valve. The valve lifter is driven so that the contact position of the swing cam with respect to the valve lifter is furthest away from the axis passing through the center of the combustion chamber when the valve lifts to the maximum.
[0020]
Claim9The invention described in claim 18In any one of the inventions, a phase variable mechanism for delaying the phase of the lift center angle of the intake valve is provided.
[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention, the angle between the intake and exhaust valves can be reduced without changing the layout of the drive shaft and the swing cam. In addition, by reducing the valve sandwich angle of the intake / exhaust valve, the S / V ratio at the top dead center position that increases by increasing the compression ratio ε can be relatively reduced, and the cooling loss can be reduced. .
[0022]
And claims2As described above, even when the compression ratio ε is variably controlled by the piston stroke variable mechanism according to the operating conditions, the S / V ratio at the top dead center position that increases by increasing the compression ratio ε is relatively small. The cooling loss can be reduced without deteriorating the output performance.
[0023]
Claim3Then, while maintaining good combustion by increasing the compression ratio ε, the pump loss can be reduced by lowering the effective compression ratio ε ′, and the S at the top dead center position due to the increase of the compression ratio ε. Increase in the / V ratio is suppressed. That is, the cooling loss can be reduced without deteriorating the output performance.
[0024]
Claim5By doing so, the secondary vibration can be reduced.
[0025]
Claims6Then, under a condition where the load on the internal combustion engine is large, the decrease in output can be compensated for by increasing the lift / operating angle in accordance with the valve diameter of the intake valve, which is decreased by reducing the valve sandwich angle.
[0026]
And claims8By doing so, the setting range of the valve clamping angle of the intake / exhaust valve can be increased.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing the configuration of an intake valve side variable valve mechanism of an internal combustion engine. This variable valve mechanism includes a lift / working angle variable mechanism 1 that changes a lift / working angle of an
[0029]
FIG. 2 shows only the lift / operating angle variable mechanism 1, and the lift / operating angle variable mechanism 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0030]
The variable lift / operating angle mechanism 1 has a hollow shape rotatably supported by an intake valve slidably provided on a cylinder head 3 via a valve guide (not shown) and a
[0031]
As will be described later, the
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
That is, the
[0036]
An extension line L of the central axis of the
[0037]
As shown in FIG. 1, the
[0038]
The operation of the variable lift / operating angle mechanism 1 will be described. When the
[0039]
Here, when the angle of the
[0040]
For example, if the
[0041]
On the contrary, if the
[0042]
Since the position of the
[0043]
Next, as shown in FIG. 1, the phase variable mechanism 2 rotates the
[0044]
The lift / operating angle variable mechanism 1 and the phase variable mechanism 2 may be controlled by providing a sensor for detecting an actual lift / operating angle or phase and performing a closed loop control, or depending on operating conditions. It is also possible to simply perform open loop control.
[0045]
FIG. 5 shows a multi-link type piston
[0046]
The piston
[0047]
A pin journal (not shown) rotatably supported by a bearing (not shown) provided at one end of the
[0048]
The rotation center P1 of the pin journal is eccentric by a predetermined amount with respect to the rotation center P2 of the
[0049]
Therefore, when the
[0050]
The
[0051]
Further, as a control of the piston stroke variable mechanism, a sensor for detecting an actual piston stroke may be provided to perform closed loop control, or simply open loop control may be performed according to operating conditions.
[0052]
FIG. 6 is an explanatory view showing the overall configuration of the combustion control system of the present invention, and includes the intake valve side variable valve mechanism of the internal combustion engine shown in FIG. 1 and the piston stroke variable mechanism shown in FIG. It is a combination.
[0053]
Here,
[0054]
In the present embodiment, the rotation speed of the internal combustion engine is detected by the crank angle sensor, and the load of the internal combustion engine is detected by the opening of the throttle valve. These detected values are input to the
[0055]
As a means for detecting the load of the internal combustion engine, any one of intake negative pressure, intake air amount, and fuel injection amount can be used instead of the opening of the throttle valve.
[0056]
FIG. 7 shows the control characteristic of the compression ratio ε determined only by the change in the volume of the combustion chamber due to the piston stroke in the internal combustion engine in which the lift / operating angle variable mechanism 1, the phase variable mechanism 2 and the piston stroke variable mechanism are combined. Yes.
[0057]
On the other hand, the effective compression ratio ε ′ is determined by the intake valve closing timing (IVC) as shown in FIG. 8 that is optimally controlled according to the engine operating state.
[0058]
Under idle and partial load (R / L, etc.) operating conditions (1) and (2) (see FIG. 8), the lift / operating angle of the intake valve is relatively small, and IVC closes much earlier than bottom dead center. It becomes. As a result, the pump loss can be greatly reduced. However, if the compression ratio ε is equal to that of the conventional engine, the effective compression ratio ε ′ decreases and the combustion deteriorates. Therefore, as shown in FIG. Then, the compression ratio ε is increased.
[0059]
Under the driving condition (3) in the acceleration region (see FIG. 8), since it is necessary to increase the intake charging efficiency, the IVC is controlled in a direction approaching the bottom dead center. It is also necessary to prevent the occurrence of this in advance.
[0060]
In the operating condition with the fully open output, the effective compression ratio ε ′ is also increased in order to secure the maximum intake amount. Therefore, it is necessary to reduce the compression ratio ε determined by the piston stroke, and to approach that of a conventional engine under the fully open low speed condition (4) (see FIG. 8). In the fully open high speed condition (5) (see FIG. 8), the combustion is terminated before the chemical reaction such as peroxide that causes knocking proceeds, so the compression ratio ε determined by the piston stroke is low. Can be higher. Thereby, since the expansion ratio is also increased, there is an advantage that the exhaust temperature is lowered and the deterioration of the catalyst disposed in the exhaust system can be alleviated.
[0061]
In addition, the compression ratio ε determined by the lift / operating angle of the intake valve, the central angle Φ, and the piston stroke determined in accordance with the operating state in this way is controlled based on a control map prepared in advance. Ignition advance control is also performed by throttle opening or accelerator opening.
[0062]
The lift / operating angle variable mechanism shown in FIG. 9 differs from the above-described lift / operating angle variable mechanism 1 of the present invention described above in that the rocking center Q ′ (shaft axis) of the rocking
[0063]
In the case of the conventional cam mechanism, the cam that contacts the valve lifter rotates fully, so it is most reasonable that the center of the cam shaft is on the center line of the valve lifter, but the cam that contacts the valve lifter is of the swing cam type Since the cam does not fully rotate, a certain degree of freedom is obtained when used in combination with a valve lifter.
[0064]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the main part of the present invention, which is a layout in which the
[0065]
The center of the
[0066]
More specifically, the swing center Q of the
[0067]
If the
[0068]
That is, a merit that the valve angle of the intake / exhaust valve can be changed in a relatively wide range can be obtained in the combination of the
[0069]
In the case of the conventional cam drive of the engine, a large design change is required to change the valve clamping angle in this way. For example, since the position of the camshaft changes, the drive layout on the engine front side is changed entirely. In addition, when the distance between the sprockets is short, it is necessary to shift to another driving method. The layout of the upper surface of the cylinder head accompanying the change of the camshaft layout has also been completely changed, resulting in a completely new cylinder head.
[0070]
On the other hand, in the case of the change from FIG. 9 to FIG. 10, it is only necessary to change the mold such as the port shape and water jacket shape inside the cylinder head, change the processing of the valve lifter and valve stem, and change the parts such as the valve and valve seat. Therefore, many variations can be set.
[0071]
FIG. 11 shows an embodiment applied to an intake / exhaust valve. By arranging the
[0072]
FIG. 12 shows the effect of improving the specific output when the lift / operating angle of the intake valve is enlarged. Increase the intake valve lift and operating angle at high speed, that is, when the internal combustion engine speed is high, by reducing the valve angle by reducing the valve angle so that the average flow velocity of the intake air does not increase If it can, it can compensate for the decrease in output. This is a great advantage and merit when applied to an engine equipped with a variable lift / operation angle mechanism capable of continuously expanding and reducing the lift / operation angle of the intake valve.
[0073]
FIG. 13 shows the piston stroke characteristics obtained by the piston
[0074]
Thus, in the case of the piston stroke characteristic close to simple vibration, the secondary vibration can be reduced, so that the vibration characteristic can be greatly improved.
[0075]
In addition, although the piston speed near the top dead center is slow, it is disadvantageous in terms of cooling loss, but the air-fuel mixture in the combustion chamber is easy to burn, and the piston falls quickly and does not convert torque immediately. Therefore, quietness is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a variable valve mechanism.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a lift / operating angle variable mechanism.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing changes in lift / operating angle characteristics by a variable lift / operating angle mechanism;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a phase change of a valve lift characteristic by a phase variable mechanism.
FIG. 5 is an explanatory view showing a piston stroke variable mechanism in a cross-sectional view of the internal combustion engine.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a combustion control system for an internal combustion engine.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing control characteristics corresponding to engine operating conditions of a compression ratio ε determined by a piston stroke variable mechanism.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a change in the opening / closing timing of the intake valve in accordance with a change in the operating condition of the engine.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the upper portion of the internal combustion engine in which the axis of the drive shaft is disposed on an extension line at the center of the valve lifter.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the main part of the present invention, and is a cross-sectional view of the upper part of the internal combustion engine in which the axis of the drive shaft is disposed outside the extension line of the valve lifter center.
FIG. 11 is a cross-sectional view of the upper portion of the internal combustion engine showing a case where the valve control system for the internal combustion engine according to the present invention is applied to an intake valve and an exhaust valve.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the correlation between the lift / operation angle of the intake valve and the specific output.
FIG. 13 is a characteristic diagram comparing the piston stroke characteristics of a single link type crank mechanism with the piston stroke characteristics of a multi-link type piston stroke variable mechanism.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the compression ratio use range of the high expansion ratio system and the S / V ratio at the top dead center position.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the valve clamping angle of the intake / exhaust valve and the S / V ratio at the top dead center position.
[Explanation of symbols]
1 ... Lift / operating angle variable mechanism
2 ... Phase variable mechanism
24 ... Piston stroke variable mechanism
4… Valve stem
6 ... Drive shaft
11 ... Valve lifter
12 ... Oscillating cam
Claims (9)
前記揺動カムは、前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大,縮小制御可能なリフト・作動角可変機構の構成部材であり、
前記リフト・作動角可変機構は、前記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、前記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ前記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、前記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、前記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のバルブリフタを押圧する前記揺動カムと、を備えており、前記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角が同時に増減変化すると共に、当該駆動軸の回転運動を当該揺動カムの揺動運動に変換するよう構成され、
前記駆動軸は、その軸方向で見たときに対応するバルブステムの上端に配置されたバルブリフタの上方に位置すると共に、その端部に設けられたスプロケットを介してクランクシャフトに連動し、
前記揺動カムは、その揺動中心が、前記駆動軸の軸方向で見たときに、バルブリフタ上方の駆動軸回転中心と一致すると共に、機関運転中は、バルブリフトが無いゼロリフトのときも揺動運動を行うよう構成されている内燃機関において、
前記揺動カムの揺動中心に対して、吸気弁及び排気弁の双方のバルブステムの中心線が、燃焼室中心を通る軸線側に位置することを特徴とする内燃機関。An internal combustion engine that lifts both an intake valve and an exhaust valve by swinging a swing cam that is rotatably and swingably mounted on a drive shaft ,
The swing cam is a component of a lift / working angle variable mechanism capable of simultaneously and continuously expanding and reducing the lift / working angle of the intake valve or the exhaust valve,
The variable lift / operating angle mechanism includes an eccentric cam that is rotationally driven by the drive shaft, a link arm that is rotatably fitted to the outer periphery of the eccentric cam, and an eccentric cam that is provided in parallel with the drive shaft. A rotatable control shaft provided with a portion, a rocker arm that is rotatably mounted on an eccentric cam portion of the control shaft and is rocked by the link arm, and is rotatably supported by the drive shaft, And an oscillating cam that presses a valve lifter of the intake valve or the exhaust valve by oscillating along with the rocker arm and oscillating with the rocker arm, and an eccentric cam portion of the control shaft By changing the rotational position of the intake valve or the exhaust valve, the lift / operating angle of the intake valve or the exhaust valve is simultaneously increased or decreased, and the rotational motion of the drive shaft is controlled by the swing cam. Configured to convert the motion,
The drive shaft is located above the valve lifter disposed at the upper end of the corresponding valve stem when viewed in the axial direction, and interlocked with the crankshaft via a sprocket provided at the end,
The swing cam coincides with the drive shaft rotation center above the valve lifter when viewed in the axial direction of the drive shaft, and during the engine operation, the swing cam also swings even when there is no valve lift. In an internal combustion engine configured to perform dynamic motion,
An internal combustion engine characterized in that the center line of both the valve stems of the intake valve and the exhaust valve is located on the axis line passing through the center of the combustion chamber with respect to the swing center of the swing cam.
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