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JP2009008016A - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents

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JP2009008016A
JP2009008016A JP2007170452A JP2007170452A JP2009008016A JP 2009008016 A JP2009008016 A JP 2009008016A JP 2007170452 A JP2007170452 A JP 2007170452A JP 2007170452 A JP2007170452 A JP 2007170452A JP 2009008016 A JP2009008016 A JP 2009008016A
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JP
Japan
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compression ratio
closing timing
internal combustion
engine
load
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007170452A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Akihisa
大輔 秋久
Eiichi Kamiyama
栄一 神山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007170452A priority Critical patent/JP2009008016A/en
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Abstract

【課題】気筒間における機械圧縮比のばらつきをなくす。
【解決手段】機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構Aと、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構Bとを具備する。機関低負荷運転時に膨張比が20以上となるように機械圧縮比を最大にすると共に機関低負荷運転時における実圧縮比を機関高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比とする。各気筒における機械圧縮比のばらつきをなくすために燃焼室5の内壁面上に燃焼室容積調整用肉盛部22を形成し、各気筒の燃焼室5の容積が同一となるように肉盛部22の一部が削除される。
【選択図】図1
Disclosed is a variation in mechanical compression ratio between cylinders.
A variable compression ratio mechanism A capable of changing a mechanical compression ratio and an actual compression action start timing changing mechanism B capable of changing an actual compression action start timing are provided. The mechanical compression ratio is maximized so that the expansion ratio becomes 20 or more during engine low load operation, and the actual compression ratio during engine low load operation is set to substantially the same actual compression ratio as during engine high load operation. In order to eliminate variations in the mechanical compression ratio in each cylinder, a combustion chamber volume adjustment build-up portion 22 is formed on the inner wall surface of the combustion chamber 5 so that the volume of the combustion chamber 5 in each cylinder is the same. A part of 22 is deleted.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は火花点火式内燃機関に関する。   The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine.

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関中負荷運転時および機関高負荷運転時には過給機による過給作用を行い、かつこれら機関中高負荷運転時においては実圧縮比を一定に保持した状態で機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比を増大すると共に吸気弁の閉弁時期を遅くするようにした火花点火式内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。   Equipped with a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve. A spark ignition type internal combustion engine that increases the mechanical compression ratio and delays the closing timing of the intake valve as the engine load decreases while the actual compression ratio is kept constant during medium and high load operation. The engine is known (see, for example, Patent Document 1).

ところでこの内燃機関では機関低負荷運転時にも機械圧縮比が高くされ、吸気弁の閉弁時期が遅くされるが機械圧縮比が機関中負荷運転時に比べて高いか低いかが不明であり、吸気弁の閉弁時期が機関中負荷運転時に比べて遅いか早いかが不明である。また、この内燃機関では機関低負荷運転時における実圧縮比が機関中高負荷運転時に比べて高いか低いかも不明である。
特開2004−218522号公報
By the way, in this internal combustion engine, the mechanical compression ratio is increased even during low engine load operation, and the closing timing of the intake valve is delayed, but it is unclear whether the mechanical compression ratio is higher or lower than during medium load operation. It is unclear whether the valve closing time of the engine is late or early compared to that during medium-load operation. In this internal combustion engine, it is also unclear whether the actual compression ratio at the time of engine low load operation is higher or lower than that at the time of engine high load operation.
JP 2004-218522 A

さて、一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って車両走行時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関低負荷運転時における熱効率を向上させることが必要となる。ところで内燃機関では膨張比が大きくなればなるほど膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、従って膨張比が大きくなるほど熱効率が向上する。一方、機械圧縮比を高くすると膨張比が高くなる。従って車両走行時における熱効率を向上させるためには機関低負荷運転時における機械圧縮比を可能な限り高くして、機関低負荷運転時に最大の膨張比を得られるようにすることが好ましいことになる。   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 when the vehicle is running, that is, to improve fuel efficiency, improve the thermal efficiency during engine low load operation. It will be necessary. By the way, in the internal combustion engine, the larger the expansion ratio, the longer the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke. Therefore, the greater the expansion ratio, the better the thermal efficiency. On the other hand, when the mechanical compression ratio is increased, the expansion ratio is increased. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during vehicle travel, it is preferable to increase the mechanical compression ratio during engine low load operation as much as possible so that the maximum expansion ratio can be obtained during engine low load operation. .

しかしながら上述の公知の内燃機関では機関低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を可能な限り高くしているか否かが不明である。また、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備した内燃機関では、通常機械圧縮比を増大させたときには実圧縮比も増大させるようにしている。というのは通常、圧縮比を増大させるために機械圧縮比を増大させているのであり、このとき実圧縮比が増大しなければ意味がないと考えているからである。   However, in the above-described known internal combustion engine, it is unclear whether the mechanical compression ratio is as high as possible so that the maximum expansion ratio can be obtained during engine low load operation. In an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism that can change the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism that can control the closing timing of the intake valve, the actual compression ratio increases when the normal mechanical compression ratio is increased. I try to let them. This is because the mechanical compression ratio is usually increased in order to increase the compression ratio, and it is meaningless if the actual compression ratio does not increase at this time.

しかしながら実圧縮比が増大するとノッキングが発生するので実圧縮比はそれほど高くすることができない。従って従来ではたとえ機関低負荷運転時に機械圧縮比を高めたとしても実圧縮比をそれほど高くすることができないために機械圧縮比がそれほど高くされることはない。その結果、従来では機関低負荷運転時に十分に高い膨張比が得られておらず、斯くして複雑な構造を有する割には良好な燃費が得られないという問題がある。   However, since the knocking occurs when the actual compression ratio increases, the actual compression ratio cannot be increased so much. Therefore, conventionally, even if the mechanical compression ratio is increased during low engine load operation, the actual compression ratio cannot be increased so much that the mechanical compression ratio is not increased so much. As a result, conventionally, a sufficiently high expansion ratio has not been obtained at the time of engine low load operation, and thus there is a problem that good fuel efficiency cannot be obtained for a complicated structure.

また、内燃機関では製造誤差によって各気筒における機械圧縮比にはばらつきが生じ、この場合、各気筒における機械圧縮比の差は機械圧縮比が高くなるほど大きくなる。従って上述したように車両走行時における熱効率を向上させるために機関低負荷運転時における機械圧縮比を可能な限り高くすると気筒間における機械圧縮比の差が極めて大きくなる。この場合、この気筒間における機械圧縮比の差を低減するために製造誤差をなくそうとすると極度のコストアップを招くという問題を生ずる。   In an internal combustion engine, the mechanical compression ratio in each cylinder varies due to manufacturing errors. In this case, the difference in the mechanical compression ratio in each cylinder increases as the mechanical compression ratio increases. Therefore, as described above, if the mechanical compression ratio during engine low load operation is made as high as possible in order to improve the thermal efficiency during vehicle travel, the difference in the mechanical compression ratio between the cylinders becomes extremely large. In this case, if the manufacturing error is eliminated in order to reduce the difference in the mechanical compression ratio between the cylinders, there is a problem that the cost is extremely increased.

上記問題を解決するために本発明によれば、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構とを具備し、機関低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を最大にすると共に機関低負荷運転時における実圧縮比を機関中高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比とし、各気筒における機械圧縮比のばらつきをなくすために各気筒の燃焼室容積を調整する燃焼室容積調整手段を具備している。   In order to solve the above problem, according to the present invention, a variable compression ratio mechanism capable of changing a mechanical compression ratio and an actual compression action start timing changing mechanism capable of changing an actual compression action start timing are provided. Maximize the mechanical compression ratio so that the maximum expansion ratio can be obtained during low-load operation, and set the actual compression ratio during engine low-load operation to the same actual compression ratio as during engine medium-high load operation. Combustion chamber volume adjusting means for adjusting the combustion chamber volume of each cylinder is provided.

車両走行時における熱効率が向上せしめられるために良好な燃費が得られると共に、各気筒における機械圧縮比のばらつきを容易になくすことができる。   Since the thermal efficiency during traveling of the vehicle is improved, good fuel efficiency can be obtained, and variations in the mechanical compression ratio in each cylinder can be easily eliminated.

図1に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
図1を参照すると、1はクランクケース、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は燃焼室5の頂面中央部に配置された点火栓、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 shows a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is a crankcase, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug disposed at the center of the top surface of the 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コンバータ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 catalytic converter 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.

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の出力信号および空燃比センサ21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 includes 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 connected to each other by a bidirectional bus 31. It comprises. The output signal of the intake air amount detector 18 and the output signal of the air-fuel ratio sensor 21 are input to the input port 35 via corresponding AD converters 37, respectively. 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51内に回転可能に挿入される円形カム56が固定されている。これらの円形カム56は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム56間には図3においてハッチングで示すように各カムシャフト54,55の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸57が延びており、この偏心軸57上に別の円形カム58が偏心して回転可能に取付けられている。図2に示されるようにこれら円形カム58は各円形カム56間に配置されており、これら円形カム58は対応する各カム挿入孔53内に回転可能に挿入されている。   As shown in FIG. 2, a pair of cam shafts 54, 55 is provided, and on each cam shaft 54, 55, a circular cam 56 that is rotatably inserted into each cam insertion hole 51 is provided. It is fixed. These circular cams 56 are coaxial with the rotational axes of the camshafts 54 and 55. On the other hand, an eccentric shaft 57 arranged eccentrically with respect to the rotation axis of each camshaft 54, 55 extends between the circular cams 56 as shown by hatching in FIG. A cam 58 is eccentrically mounted for rotation. As shown in FIG. 2, the circular cams 58 are disposed between the circular cams 56, and the circular cams 58 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 53.

図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55上に固定された円形カム56を図3(A)において実線の矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心軸57が下方中央に向けて移動するために円形カム58がカム挿入孔53内において図3(A)の破線の矢印に示すように円形カム56とは反対方向に回転し、図3(B)に示されるように偏心軸57が下方中央まで移動すると円形カム58の中心が偏心軸57の下方へ移動する。   When the circular cams 56 fixed on the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as indicated by solid arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. In order to move toward the lower center, the circular cam 58 rotates in the opposite direction to the circular cam 56 in the cam insertion hole 53 as shown by the broken arrow in FIG. 3A, and is shown in FIG. As described above, when the eccentric shaft 57 moves to the lower center, the center of the circular cam 58 moves below the eccentric shaft 57.

図3(A)と図3(B)とを比較するとわかるようにクランクケース1とシリンダブロック2の相対位置は円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離によって定まり、円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック2はクランクケース1から離れる。シリンダブロック2がクランクケース1から離れるとピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積は増大し、従って各カムシャフト54,55を回転させることによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更することができる。   3A and 3B, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center of the circular cam 56 and the center of the circular cam 58. The cylinder block 2 moves away from the crankcase 1 as the distance between the center and the center of the circular cam 58 increases. 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ギア61,62が取付けられており、これらウォームギア61,62と噛合する歯車63,64が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。なお、図1から図3に示される可変圧縮比機構Aは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in the opposite directions, a pair of worm gears 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shaft of the drive motor 59, respectively. Gears 63 and 64 meshing with the worm gears 61 and 62 are fixed to the end portions 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. The variable compression ratio mechanism A shown in FIGS. 1 to 3 shows an example, and any type of variable compression ratio mechanism can be used.

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。また、本発明では実際の圧縮作用の開始時期を変更するために可変バルブタイミング機構Bを用いているので、可変バルブタイミング機構ではなくても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であればいかなる形式の実圧縮作用開始時期変更機構も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. In the present invention, since the variable valve timing mechanism B is used to change the actual compression action start timing, the actual compression action can be changed without using the variable valve timing mechanism. Any type of actual compression action start time changing mechanism can be used as long as it is a start time changing mechanism.

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最も基本となっている特徴について説明する。なお、図7は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図8は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。   Next, the most basic features of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.

図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ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, the combustion chamber volume is 50 ml, and the stroke volume of the piston is 500 ml, as in the examples shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C. As can be seen from FIG. 8A, in a normal cycle, the mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, the actual compression ratio is almost 11, and the expansion ratio is also (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. That is, in a normal internal combustion engine, the mechanical compression ratio, the actual compression ratio, and the expansion ratio are substantially equal.

図7における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも12程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。   The solid line in FIG. 7 shows the change in the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio and the expansion ratio are substantially equal, that is, in a normal cycle. In this case, it can be seen that the theoretical thermal efficiency increases as the expansion ratio increases, that is, as the actual compression ratio increases. Therefore, in order to increase the theoretical thermal efficiency in a normal cycle, it is only necessary to increase the actual compression ratio. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.

一方、このような状況下で本発明者は機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分して理論熱効率を高めることについて検討し、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことを見い出したのである。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、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, in this situation, the present inventor has studied to increase the theoretical thermal efficiency by strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio, and as a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the theoretical thermal efficiency The actual compression ratio has been 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の破線は実圧縮比を10に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図7の実線で示す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 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 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 to this case, only the expansion ratio is shown in FIG. 8B. It can be seen that it has been increased to 26. This is why it is called an ultra-high expansion ratio cycle.

前述したように一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って車両走行時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関低負荷運転時における熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示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低負荷運転時には図8(B)に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図8(A)に示す通常のサイクルとするようにしている。これが本発明が基本としている特徴である。   As described above, in general, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the lower the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency when the vehicle is running, that is, to improve the fuel efficiency, the thermal efficiency during the engine low load operation is reduced. It is necessary to improve. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the 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, the super high expansion ratio cycle shown in FIG. 8 (B) is used during low engine load operation, and the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is used during high engine load operation. This is the basic feature of the present invention.

次に図9を参照しつつ運転制御全般について説明する。
図9には機関負荷に応じた機械圧縮比、膨張比、吸気弁7の閉弁時期、実圧縮比、吸入空気量、スロットル弁17の開度およびポンピング損失の各変化が示されている。なお、本発明による実施例では触媒コンバータ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通常燃焼室5内における平均空燃比は空燃比センサ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。
Next, the overall operation control will be described with reference to FIG.
FIG. 9 shows changes in the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the closing timing of the intake valve 7, the actual compression ratio, the intake air amount, the opening degree of the throttle valve 17 and the pumping loss according to the engine load. In the embodiment according to the present invention, the average air-fuel ratio in the normal combustion chamber 5 is 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 catalytic converter 20. Feedback control to the stoichiometric air-fuel ratio based on the output signal.

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関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の開度は全開又はほぼ全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。   As described above, the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is executed during engine high load operation. Accordingly, as shown in FIG. 9, at this time, the engine compression ratio is lowered and the expansion ratio is low. As shown by the solid line in FIG. 9, the 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 or almost fully open, so that the pumping loss is zero.

一方、図9に示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って機械圧縮比が増大され、従って膨張比も増大される。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図9において実線で示される如く機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期が遅くされる。なお、このときにもスロットル弁17は全開又はほぼ全開状態に保持されており、従って燃焼室5内に供給される吸入空気量はスロットル弁17によらずに吸気弁7の閉弁時期を変えることによって制御されている。このときにもポンピング損失は零となる。   On the other hand, as shown in FIG. 9, when the engine load is lowered, the mechanical compression ratio is increased accordingly, and thus the expansion ratio is also increased. Further, at this time, the valve closing timing of the intake valve 7 is delayed as the engine load becomes lower as shown by the solid line in FIG. 9 so that the actual compression ratio is kept substantially constant. At this time as well, the throttle valve 17 is kept fully open or substantially fully open, and therefore the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 changes the closing timing of the intake valve 7 regardless of the throttle valve 17. Is controlled by that. Also at this time, the pumping loss becomes zero.

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の容積を減少せしめられる。従ってピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき燃焼室5内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は燃料量に比例して変化していることになる。   As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is reduced in proportion to the reduction 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, since the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the fuel amount. Become.

機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機械圧縮比が燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。従って機関低負荷運転時には機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると本発明では機関低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。また、このとき実圧縮比は機関中高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比に維持される。 When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased. When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio that is the structural limit of the combustion chamber 5, the engine when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio is reached. In the region where the load is lower than the load L 1 , the mechanical compression ratio is maintained at the limit mechanical compression ratio. Therefore, the mechanical compression ratio is maximized and the expansion ratio is maximized during engine low load operation. In other words, in the present invention, the mechanical compression ratio is maximized so that the maximum expansion ratio can be obtained during engine low load operation. Further, at this time, the actual compression ratio is maintained at substantially the same actual compression ratio as that during the engine medium and high load operation.

一方、図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれて燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期まで遅らされ、吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域では吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁7の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御しえないので他の何らかの方法によって吸入空気量を制御する必要がある。 On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 9, the closing timing of the intake valve 7 is delayed to a limit closing timing that can control the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 as the engine load becomes lower. closing timing of the valve 7 is the closing timing of the intake valve 7 in the region of a load lower than the engine load L 2 when reaching the limit closing timing is held at the limit closing timing. If the closing timing of the intake valve 7 is held at the limit closing timing, the intake air amount can no longer be controlled by the change in the closing timing of the intake valve 7, so it is necessary to control the intake air amount by some other method There is.

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L2よりも負荷の低い領域ではスロットル弁17によって燃焼室5内に供給される吸入空気量が制御される。ただし、スロットル弁17による吸入空気量の制御が行われると図9に示されるようにポンピング損失が増大する。 In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L 2 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the throttle valve 17 supplies the fuel into the combustion chamber 5. The amount of intake air to be controlled is controlled. However, when the intake air amount is controlled by the throttle valve 17, the pumping loss increases as shown in FIG.

なお、このようなポンピング損失が発生しないように吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域ではスロットル弁17を全開又はほぼ全開に保持した状態で機関負荷が低くなるほど空燃比を大きくすることもできる。このときには燃料噴射弁13を燃焼室5内に配置して成層燃焼させることが好ましい。 In order to prevent such a pumping loss, the throttle valve 17 is kept fully open or almost fully open in a region where the load is lower than the engine load L 2 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing. In this state, the air-fuel ratio can be increased as the engine load decreases. At this time, it is preferable to arrange the fuel injection valve 13 in the combustion chamber 5 and perform stratified combustion.

図9に示されるように機関低回転時には機関負荷にかかわらずに実圧縮比がほぼ一定に保持される。このときの実圧縮比は機関中高負荷運転時の実圧縮比に対してほぼ±10パーセントの範囲内とされ、好ましくは±5パーセントの範囲内とされる。なお、本発明による実施例では機関低回転時の実圧縮比はほぼ10±1、即ち、9から11の間とされる。ただし、機関回転数が高くなると燃焼室5内の混合気に乱れが発生するためにノッキングが発生しずらくなり、従って本発明による実施例では機関回転数が高くなるほど実圧縮比が高くされる。   As shown in FIG. 9, the actual compression ratio is maintained substantially constant regardless of the engine load during low engine speed. The actual compression ratio at this time is approximately within a range of ± 10%, preferably within a range of ± 5% with respect to the actual compression ratio at the time of engine medium and high load operation. In the embodiment according to the present invention, the actual compression ratio at low engine speed is approximately 10 ± 1, that is, between 9 and 11. However, if the engine speed increases, the air-fuel mixture in the combustion chamber 5 is disturbed, so that knocking does not easily occur. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the actual compression ratio increases as the engine speed increases.

一方、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20以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本発明では膨張比が20以上となるように可変圧縮比機構Aが形成されている。   On the other hand, as described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. This expansion ratio is preferably as high as possible, but if it is 20 or more, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.

また、図9に示される例では機械圧縮比は機関負荷に応じて連続的に変化せしめられている。しかしながら機械圧縮比は機関負荷に応じて段階的に変化させることもできる。   In the example shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is continuously changed according to the engine load. However, the mechanical compression ratio can be changed stepwise according to the engine load.

一方、図9において破線で示すように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁17によらずに吸入空気量を制御することができる。従って、図9において実線で示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L2まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。 On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the 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. so that is moved in a direction away from intake bottom dead center BDC until the limit closing timing L 2 enabling control of the amount of intake air fed into the combustion chamber.

ところで前述したように内燃機関では製造誤差によって各気筒における機械圧縮比にはばらつきが生じ、この場合、気筒間における機械圧縮比の差は機械圧縮比が高くなるほど大きくなる。従って本発明におけるように機関低負荷運転時における機械圧縮比を限界機械圧縮比まで高くすると気筒間における機械圧縮比の差が極めて大きくなる。気筒間における機械圧縮比の差が大きくなると各気筒において発生する出力トルクがばらつくためにトルク変動を生じるようになる。この場合、このようなトルク変動が生じないようにするためには気筒間において機械圧縮比の差が生じないようにする必要がある。   As described above, in the internal combustion engine, the mechanical compression ratio in each cylinder varies due to manufacturing errors. In this case, the difference in the mechanical compression ratio between the cylinders increases as the mechanical compression ratio increases. Accordingly, when the mechanical compression ratio during engine low load operation is increased to the limit mechanical compression ratio as in the present invention, the difference in the mechanical compression ratio between the cylinders becomes extremely large. When the difference in the mechanical compression ratio between the cylinders becomes large, the output torque generated in each cylinder varies, resulting in torque fluctuation. In this case, in order to prevent such torque fluctuation from occurring, it is necessary to prevent a difference in mechanical compression ratio between the cylinders.

そこで本発明では各気筒における機械圧縮比のばらつきをなくすために各気筒の燃焼室5の容積を調整する燃焼室容積調整手段を具備している。この燃焼室容積調整手段としては種々のものが考えられるが、以下代表的な2つの例について図10および図11を参照しつつ説明する。   Therefore, the present invention includes combustion chamber volume adjusting means for adjusting the volume of the combustion chamber 5 of each cylinder in order to eliminate variations in the mechanical compression ratio in each cylinder. Various types of combustion chamber volume adjusting means are conceivable. Two typical examples will be described below with reference to FIGS.

図10に示される例ではピストン4の頂面上に燃焼室容積調整用の肉盛部22が形成されており、例えばエンジンの組立時にピストン4が上死点に位置するときの各気筒の燃焼室5の容積が同一となるように関連する肉盛部22の一部が削除される。無論、このような燃焼室容積調整用の肉盛部はシリンダヘッド3の内壁面等、その他の燃焼室5の内壁面上に形成することができる。   In the example shown in FIG. 10, a built-up portion 22 for adjusting the combustion chamber volume is formed on the top surface of the piston 4. For example, the combustion of each cylinder when the piston 4 is located at the top dead center when the engine is assembled. A part of the built-up portion 22 is deleted so that the chambers 5 have the same volume. Of course, such a built-up portion for adjusting the volume of the combustion chamber can be formed on the inner wall surface of the other combustion chamber 5 such as the inner wall surface of the cylinder head 3.

一方、図11に示される例ではピストン4とクランクシャフト23とを連結するための夫々長さの異なる燃焼室容積調整用コネクティングロッド24が予め準備されており、例えばエンジンの組立時にピストン4が上死点に位置するときの各気筒の燃焼室5の容積が同一となるように各気筒に対し最適なコネクティングロッド24が選択して使用される。なお、図10に示される肉盛部22と図11に示されるコネクティングロッド24の双方により燃焼室5の容積を調整することもできる。   On the other hand, in the example shown in FIG. 11, a connecting rod 24 for adjusting the combustion chamber volume with different lengths for connecting the piston 4 and the crankshaft 23 is prepared in advance. An optimal connecting rod 24 is selected and used for each cylinder so that the volumes of the combustion chambers 5 of the cylinders at the dead center are the same. Note that the volume of the combustion chamber 5 can be adjusted by both the built-up portion 22 shown in FIG. 10 and the connecting rod 24 shown in FIG. 11.

図12に運転制御ルーチンを示す。図12を参照するとまず初めにステップ100において図13(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。即ち、要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期ICが機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図13(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。   FIG. 12 shows an operation control routine. Referring to FIG. 12, first, at step 100, the closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. That is, the closing timing IC of the intake valve 7 necessary for supplying the required intake air amount into the combustion chamber 5 as a function of the engine load L and the engine speed N is in the form of a map as shown in FIG. The valve closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from this map.

次いでステップ101では図13(B)に示すマップから目標実圧縮比が算出される。図13(B)に示されるようにこの目標実圧縮比は機関回転数Nが高くなるほど高くなる。次いでステップ102では実圧縮比を目標実圧縮比とするのに必要な機械圧縮比CRが算出される。次いでステップ103では機械圧縮比が機械圧縮比CRとなるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期ICとなるように可変バルブタイミング機構Bが制御される。   Next, at step 101, the target actual compression ratio is calculated from the map shown in FIG. As shown in FIG. 13B, the target actual compression ratio increases as the engine speed N increases. Next, at step 102, a mechanical compression ratio CR necessary to make the actual compression ratio the target actual compression ratio is calculated. Next, at step 103, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC. .

火花点火式内燃機関の全体図である。1 is an overall view of a spark ignition 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. 燃焼室容積調整手段の一例を説明するための内燃機関の側面断面図である。It is side surface sectional drawing of the internal combustion engine for demonstrating an example of a combustion chamber volume adjustment means. 燃焼室容積調整手段の他の一例を説明するための内燃機関の側面断面図である。It is side surface sectional drawing of the internal combustion engine for demonstrating another example of a combustion chamber volume adjustment means. 運転制御を行うためのフローチャートである。It is a flowchart for performing operation control. 目標実圧縮比等を示す図である。It is a figure which shows a target actual compression ratio etc.

符号の説明Explanation of symbols

1 クランクケース
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 燃焼室
7 吸気弁
22 肉盛部
24 コネクティングロッド
70 吸気弁駆動用カムシャフト
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankcase 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Piston 5 Combustion chamber 7 Intake valve 22 Overlay part 24 Connecting rod 70 Intake valve drive camshaft A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (16)

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構とを具備し、機関低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を最大にすると共に機関低負荷運転時における実圧縮比を機関中高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比とし、各気筒における機械圧縮比のばらつきをなくすために各気筒の燃焼室容積を調整する燃焼室容積調整手段を具備した火花点火式内燃機関。   Equipped with a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and an actual compression action start timing changing mechanism capable of changing the actual compression action start time so that the maximum expansion ratio can be obtained during engine low load operation In order to maximize the mechanical compression ratio and make the actual compression ratio at the time of engine low load operation substantially the same as at the time of engine medium and high load operation, in order to eliminate variations in the mechanical compression ratio of each cylinder, the combustion chamber volume of each cylinder is reduced. A spark ignition type internal combustion engine comprising a combustion chamber volume adjusting means for adjusting. 燃焼室の内壁面上に燃焼室容積調整用肉盛部を形成し、各気筒の燃焼室の容積が同一となるように該肉盛部の一部を削除するようにした請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   2. A built-up portion for adjusting a combustion chamber volume is formed on the inner wall surface of the combustion chamber, and a part of the built-up portion is deleted so that the volumes of the combustion chambers of the respective cylinders are the same. Spark ignition internal combustion engine. ピストンとクランクシャフトとを連結するための夫々長さの異なる燃焼室容積調整用コネクティングロッドが予め準備されており、各気筒の燃焼室の容積が同一となるように各気筒に対し最適なコネクティングロッドが選択して使用される請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   Connecting rods for adjusting the combustion chamber volume with different lengths for connecting the piston and crankshaft are prepared in advance, and the optimal connecting rod for each cylinder so that the volume of the combustion chamber of each cylinder is the same. The spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein is selectively used. 上記最大の膨張比が20以上である請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the maximum expansion ratio is 20 or more. 機関低回転時には機関負荷にかかわらずに上記実圧縮比が機関中高負荷運転時の実圧縮比に対してほぼ±10%の範囲内とされる請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   2. The spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the actual compression ratio is set within a range of about ± 10% with respect to the actual compression ratio at the time of medium and high load operation regardless of the engine load at a low engine speed. 機関回転数が高くなるほど上記実圧縮比が高くされる請求項5に記載の火花点火式内燃機関。   6. The spark ignition internal combustion engine according to claim 5, wherein the actual compression ratio is increased as the engine speed increases. 上記実圧縮作用開始時期変更機構が吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構からなる請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the actual compression action start timing changing mechanism comprises a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve. 燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御される請求項7に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition type internal combustion engine according to claim 7, wherein the intake air amount supplied into the combustion chamber is controlled by changing a closing timing of the intake valve. 吸気弁の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期まで吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる請求項8に記載の火花点火式内燃機関。   The valve closing timing of the intake valve is moved in a direction away from the intake bottom dead center until the limit valve closing timing at which the amount of intake air supplied into the combustion chamber can be controlled as the engine load decreases. Spark ignition internal combustion engine. 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の高い領域では燃焼室内に供給される吸入空気量が機関吸気通路内に配置されたスロットル弁によらずに吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御される請求項9に記載の火花点火式内燃機関。   In the region where the load of the intake valve is higher than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the above limit closing timing, the amount of intake air supplied into the combustion chamber does not depend on the throttle valve disposed in the engine intake passage. The spark ignition type internal combustion engine according to claim 9, which is controlled by changing a closing timing of the intake valve. 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の高い領域ではスロットル弁が全開状態に保持される請求項10に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition internal combustion engine according to claim 10, wherein the throttle valve is held in a fully open state in a region where the load is higher than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing. 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では機関吸気通路内に配置されたスロットル弁によって燃焼室内に供給される吸入空気量が制御される請求項9に記載の火花点火式内燃機関。   In the region where the load is lower than the engine load when the intake valve closing timing reaches the above limit closing timing, the amount of intake air supplied into the combustion chamber is controlled by the throttle valve disposed in the engine intake passage. The spark ignition internal combustion engine according to claim 9. 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では負荷が低くなるほど空燃比が大きくされる請求項9に記載の火花点火式内燃機関。   10. The spark ignition internal combustion engine according to claim 9, wherein the air-fuel ratio is increased as the load decreases in a region where the load is lower than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing. 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に保持される請求項9に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition according to claim 9, wherein the closing timing of the intake valve is held at the limit closing timing in a region where the load is lower than the engine load when the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing. Internal combustion engine. 上記機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて限界機械圧縮比まで増大せしめられる請求項1に記載の火花点火式内燃機関。   2. The spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the mechanical compression ratio is increased to a limit mechanical compression ratio as the engine load decreases. 上記機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に達したときの機関負荷よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に保持される請求項15に記載の火花点火式内燃機関。   The spark ignition internal combustion engine according to claim 15, wherein the mechanical compression ratio is maintained at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio.
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