JP5589707B2 - Control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an 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、機関低負荷運転時には機械圧縮比を高くすると共に吸気弁の閉弁時期を吸気下死点から離れるように遅角し、機関高負荷運転時には機械圧縮比を低くすると共に吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近づくように進角することで、機関低負荷運転時と機関高負荷運転時との間で実圧縮比をほぼ同一とする火花点火式内燃機関が知られている(例えば、特許文献1)。 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, and at the time of engine low load operation, the mechanical compression ratio is increased and the closing timing of the intake valve The engine is under low load operation by retarding the engine from the intake bottom dead center, lowering the mechanical compression ratio during high engine load operation, and advancing the intake valve close timing closer to the intake bottom dead center There is known a spark ignition type internal combustion engine in which the actual compression ratio is substantially the same between the engine and the high engine load operation (for example, Patent Document 1).
ところで、特許文献1に記載の内燃機関では、機関低負荷運転時と機関高負荷運転時とで実圧縮比がほぼ同一となるように機械圧縮比及び吸気弁の閉弁時期が制御されている。これは実圧縮比を高めた方が熱効率が高くなる反面、実圧縮比が高くなるとノッキングが発生してしまうことから、実圧縮比をノッキングが発生しない範囲内でできるだけ高い一定値に維持するようにしたものである。
By the way, in the internal combustion engine described in
ここで、実圧縮比は実際に圧縮作用が開始される圧縮作用開始時期における燃焼室容積に基づいて算出される。上記特許文献1に記載の内燃機関では、この圧縮作用開始時期として吸気弁の閉弁時期を用いて実圧縮比を算出している。ところが、実際の内燃機関では、吸気弁の閉弁前からピストンによる混合気の圧縮作用が開始されているため、吸気弁の閉弁時期を圧縮作用開始時期と近似すると、実圧縮比を正確に求めることができない。
Here, the actual compression ratio is calculated based on the combustion chamber volume at the compression operation start timing when the compression operation is actually started. In the internal combustion engine described in
また、圧縮作用開始時期は、上述した実圧縮比のみならず、内燃機関の様々なパラメータを算出するのにも用いられる。このようなパラメータとしては、例えば、ピストンが圧縮上死点にある時の燃焼室内の温度(圧縮端温度)及び圧力(圧縮端圧力)や、圧縮行程中の燃焼室内の温度及び圧力等が挙げられる。この場合においても、吸気弁の閉弁時期を圧縮作用開始時期と近似すると、これらパラメータを正確に求めることができない。 Further, the compression action start time is used not only to calculate the above-described actual compression ratio but also to calculate various parameters of the internal combustion engine. Examples of such parameters include the temperature (compression end temperature) and pressure (compression end pressure) in the combustion chamber when the piston is at compression top dead center, the temperature and pressure in the combustion chamber during the compression stroke, and the like. It is done. Even in this case, if the valve closing timing of the intake valve is approximated with the compression operation start timing, these parameters cannot be obtained accurately.
そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構を備える内燃機関において、圧縮作用開始時期を正確に求めると共に、求めた圧縮作用開始時期に基づいて内燃機関の制御を適切に行う制御装置を提供することにある。 Accordingly, in view of the above problems, an object of the present invention is to accurately obtain the compression action start time and to obtain the obtained compression action start time in an internal combustion engine having a variable valve timing mechanism that can change the closing timing of the intake valve. The present invention provides a control device that appropriately controls an internal combustion engine based on the above.
上記課題を解決するために、第1の発明では、吸気弁のリフト量がゼロになる時期である吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構を具備する内燃機関の制御装置において、機関回転数、吸気弁の閉弁時期及び吸気弁開弁期間中における吸気弁のリフト量の少なくともいずれか一つを含む機関運転パラメータに基づいて、吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積とピストンが実際の圧縮作用を開始する圧縮作用開始時期における燃焼室容積との乖離量を算出する乖離量算出手段と、実際の吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積を算出する閉弁時容積算出手段と、上記閉弁時容積算出手段によって算出された実際の吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積から上記乖離量算出手段によって算出された乖離量を減算して圧縮作用開始時期における燃焼室容積を算出する圧縮開始容積算出手段と、上記圧縮開始容積算出手段によって算出された圧縮作用開始時期における燃焼室容積に基づいて内燃機関の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定手段とを具備し、上記乖離量算出手段は、予め定められた基準乖離量を、吸気弁の閉弁時期に基づいて補正することによって上記乖離量を算出する。
In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention, in the control device for an internal combustion engine comprising a variable valve timing mechanism capable of changing the closing timing of the intake valve, which is the timing when the lift amount of the intake valve becomes zero, Based on engine operating parameters including at least one of the engine speed, intake valve closing timing, and intake valve lift during the intake valve opening period, the combustion chamber volume and piston at the closing timing of the intake valve A deviation amount calculating means for calculating a deviation amount from the combustion chamber volume at the compression action start timing at which the actual compression action starts, and a valve closing time volume calculating means for calculating the combustion chamber volume at the actual valve closing timing of the intake valve And when the compression action is started by subtracting the deviation amount calculated by the deviation amount calculating means from the combustion chamber volume at the actual intake valve closing timing calculated by the valve closing volume calculating means. Comprising: a compression start volume calculating means for calculating a combustion chamber volume, and a control parameter setting means for setting a control parameter of the internal combustion engine based on the combustion chamber volume at the compression action start timing calculated by the compression start volume calculating means in The divergence amount calculation means calculates the divergence amount by correcting a predetermined reference divergence amount based on the closing timing of the intake valve .
第2の発明では、第1の発明において、上記乖離量算出手段は、予め定められた基準乖離量を、更に、機関回転数及び吸気弁開弁期間中における吸気弁のリフト量の少なくともいずれか一つに基づいて補正することによって上記乖離量を算出する。
In the second invention, in the first invention, the deviation amount calculating means, the reference deviation amount to a predetermined further comprises at least one of the lift amount of the intake valve in the engine speed及 Beauty intake valve during the valve open period The deviation amount is calculated by correcting based on one of them.
第3の発明では、第2の発明において、上記基準乖離量は、所定の機関運転状態において、吸気弁の閉弁後における燃焼室内の吸気ガスの圧縮が断熱圧縮であると仮定すると共に該断熱圧縮が吸気弁の閉弁前にも行われていると仮定した場合に、燃焼室内の圧力が吸気弁閉弁時期における燃焼室内の圧力よりも低い所定の圧力となる時期における燃焼室容積と、吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積との差とされる。 According to a third aspect, in the second aspect, the reference divergence amount assumes that the compression of the intake gas in the combustion chamber after the intake valve is closed is adiabatic compression after the intake valve is closed in a predetermined engine operating state. When it is assumed that the compression is also performed before the intake valve is closed, the combustion chamber volume at a time when the pressure in the combustion chamber becomes a predetermined pressure lower than the pressure in the combustion chamber at the intake valve closing timing; This is the difference from the combustion chamber volume at the closing timing of the intake valve.
第4の発明では、第3の発明において、上記所定の圧力が上記所定の機関運転状態における吸気管内圧力とされる。 According to a fourth aspect, in the third aspect, the predetermined pressure is the intake pipe pressure in the predetermined engine operating state.
第5の発明では、第2〜第4のいずれか一つの発明において、上記乖離量を算出する際の基準乖離量に対する補正量は、機関回転数が高くなるほど大きくされる。 In the fifth invention, in any one of the second to fourth inventions, the correction amount with respect to the reference deviation amount when calculating the deviation amount is increased as the engine speed increases.
第6の発明では、第2〜第5のいずれか一つの発明において、上記乖離量を算出する際の基準乖離量に対する補正量は、吸気弁開弁期間中における吸気弁のリフト量が小さくなるほど大きくされる。 In the sixth invention, in any one of the second to fifth inventions, the correction amount with respect to the reference deviation amount when calculating the deviation amount is such that the lift amount of the intake valve during the intake valve opening period decreases. Increased.
第7の発明では、第1〜第6のいずれか一つの発明において、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を更に具備し、上記内燃機関の制御パラメータは機械圧縮比である。
According to a seventh invention, in any one of the first to sixth inventions, a variable compression ratio mechanism capable of changing a mechanical compression ratio is further provided, and the control parameter of the internal combustion engine is a mechanical compression ratio.
第8の発明では、第1〜第6のいずれか一つの発明において、上記内燃機関の制御パラメータは、燃料噴射弁からの燃料噴射時期又は点火プラグによる点火時期の少なくともいずれか一方である。
In an eighth invention, in any one of the first to sixth inventions, the control parameter of the internal combustion engine is at least one of a fuel injection timing from a fuel injection valve or an ignition timing by a spark plug.
本発明によれば、圧縮作用開始時期を正確に求めることができるようになると共に、求めた圧縮作用開始時期に基づいて内燃機関の制御を適切に行うことができるようになる。 According to the present invention, the compression action start timing can be accurately obtained, and the internal combustion engine can be appropriately controlled based on the obtained compression action start timing.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are assigned to similar components.
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プラグ、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートをそれぞれ示す。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にはそれぞれ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
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エアフロメータ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を介して排気浄化触媒20を内蔵した触媒コンバータ21に連結され、排気マニホルド19内には空燃比センサ22が配置される。排気浄化触媒20としては排気ガス中の未燃HC、COおよびNOxを浄化することができれば、三元触媒、NOX吸蔵還元触媒、NOX選択還元触媒等、いかなる触媒を用いても良い。
The
一方、図1に示した実施形態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、さら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に示した実施形態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
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。エアフロメータ18及び空燃比センサ22の出力信号はそれぞれ対応する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。さらに入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°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を介して点火プラグ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
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内にはそれぞれ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それぞれ対応する突出部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、これら各突出部52内にもそれぞれ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 projecting
図2に示したように一対のカムシャフト54、55が設けられており、各カムシャフト54、55上には一つおきに各カム挿入孔53内に回転可能に挿入される円形カム58が固定されている。これらの円形カム58は各カムシャフト54、55の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム58の両側には図3に示すように各カムシャフト54、55の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸57が延びており、この偏心軸57上に別の円形カム56が偏心して回転可能に取付けられている。図2に示したようにこれら円形カム56は各円形カム58の両側に配置されており、これら円形カム56は対応する各カム挿入孔51内に回転可能に挿入されている。
As shown in FIG. 2, a pair of
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58を図3(A)において矢印で示したように互いに反対方向に回転させると偏心軸57が互いに離れる方向に移動するために円形カム56がカム挿入孔51内において円形カム58とは反対方向に回転し、図3(B)に示したように偏心軸57の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム58を矢印で示した方向に回転させると図3(C)に示したように偏心軸57は最も低い位置となる。
When the
なお、図3(A)、図3(B)、図3(C)にはそれぞれの状態における円形カム58の中心aと偏心軸57の中心bと円形カム56の中心cとの位置関係が示されている。
3A, 3B, and 3C show the positional relationship among the center a of the
図3(A)から図3(C)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58の中心aと円形カム56の中心cとの距離によって定まり、円形カム58の中心aと円形カム56の中心cとの距離が大きくなるほどシリンダブロック2はクランクケース1から離れる。すなわち、可変圧縮比機構Aは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース1とシリンダブロック2間の相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック2がクランクケース1から離れるとピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積は増大し、したがって各カムシャフト54、55を回転させることによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更することができる。
3A to 3C, the relative positions of the
図2に示したように各カムシャフト54、55をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ59の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォーム61、62が取付けられており、これらウォーム61、62と噛合するウォームホイール63、64がそれぞれ各カムシャフト54、55の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ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
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に対して設けられている可変バルブタイミング機構Bを示している。図4に示したように可変バルブタイミング機構Bはカムシャフト70の一端に取付けられてカムシャフト70のカムの位相を変更するためのカム位相変更部B1と、カムシャフト70と吸気弁7のバルブリフタ26との間に配置されてカムシャフト70のカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁7に伝達するカム作用角変更部B2から構成されている。なお、カム作用角変更部B2については図4に側面断面図と平面図とが示されている。
4 shows a variable valve timing mechanism B provided for the
まず初めに可変バルブタイミング機構Bのカム位相変更部B1について説明すると、このカム位相変更部B1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、カムシャフト70と一緒に回転し且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の両側にはそれぞれ進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。
First, the cam phase changing portion B1 of the variable valve timing mechanism B will be described. The cam phase changing portion B1 is rotated by a crankshaft of the engine via a timing belt in a direction indicated by an arrow, a timing
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にそれぞれ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
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が下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X方向に相対回転せしめられる。
When the cam phase of the
これに対し、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が上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X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
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に示した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。したがってカム位相変更部B1によって図5(A)に示したようにカムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。すなわち、カム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に進角又は遅角させることができることになる。
If the
次に可変バルブタイミング機構Bのカム作用角変更部B2について説明すると、このカム作用角変更部B2はカムシャフト70と平行に並列配置され且つアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられる制御ロッド90と、カムシャフト70のカム92と係合し且つ制御ロッド90上に形成された軸線方向に延びるスプライン93に摺動可能に嵌合せしめられている中間カム94と、吸気弁7を駆動するためにバルブリフタ26と係合し且つ制御ロッド90上に形成された螺旋状に延びるスプライン95に摺動可能に嵌合する揺動カム96とを具備しており、揺動カム96上にはカム97が形成されている。
Next, the cam working angle changing portion B2 of the variable valve timing mechanism B will be described. The cam working angle changing portion B2 is arranged in parallel with the
カムシャフト70が回転するとカム92によって中間カム94が常に一定の角度だけ揺動せしめられ、このとき揺動カム96も一定の角度だけ揺動せしめられる。一方、中間カム94及び揺動カム96は制御ロッド90の軸線方向には移動不能に支持されており、したがって制御ロッド90がアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられたときに揺動カム96は中間カム94に対して相対回転せしめられることになる。
When the
中間カム94と揺動カム96との相対回転位置関係によりカムシャフト70のカム92が中間カム94と係合し始めたときに揺動カム96のカム97がバルブリフタ26と係合し始める場合には図5(B)においてaで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフトは最も大きくなる。これに対し、アクチュエータ91によって揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向に相対回転せしめられると、カムシャフト70のカム92が中間カム94に係合した後、暫らくしてから揺動カム96のカム97がバルブリフタ26と係合する。この場合には図5(B)においてbで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフト量はaに比べて小さくなる。
When the
揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向にさらに相対回転せしめられると図5(B)においてcで示したように吸気弁7の開弁期間及びリフト量はさらに小さくなる。すなわち、アクチュエータ91により中間カム94と揺動カム96の相対回転位置を変更することによって吸気弁7の開弁期間(作用角)を任意に変えることができる。ただし、この場合、吸気弁7のリフト量は吸気弁7の開弁期間が短くなるほど小さくなる。
When the
このようにカム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に変更することができ、カム作用角変更部B2によって吸気弁7の開弁期間を任意に変更することができるのでカム位相変更部B1とカム作用角変更部B2との双方によって、すなわち可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁7の開弁時期と開弁期間とを、すなわち吸気弁7の開弁時期と閉弁時期とを任意に変更することができることになる。
Thus, the cam phase changing unit B1 can arbitrarily change the valve opening timing of the
なお、図1および図4に示した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、図1および図4に示した例以外の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。特に、本発明による実施形態では、吸気弁7の閉弁時期を変更可能な可変閉弁時期機構であれば、如何なる形式の機構を用いてもよい。また、排気弁9に対しても吸気弁7の可変バルブタイミング機構Bと同様な可変バルブタイミング機構を設けてもよい。
The variable valve timing mechanism B shown in FIGS. 1 and 4 shows an example, and various types of variable valve timing mechanisms other than the examples shown in FIGS. 1 and 4 can be used. In particular, in the embodiment according to the present invention, any type of mechanism may be used as long as it is a variable valve closing timing mechanism capable of changing the valve closing timing of the
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. 6A, 6B, and 6C 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)に示した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。すなわち、図6(B)に示した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、吸気弁の閉弁に伴って実際の圧縮作用が開始される。したが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)に示した例では実圧縮比は(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 action is not performed while the intake valve is open, and actual compression is performed as the intake valve is closed. The action begins. Therefore, the actual compression ratio is expressed as 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)に示した例ではこの膨張比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。 FIG. 6C illustrates the expansion ratio. The expansion ratio is a value determined from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the expansion stroke, and this expansion ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6C, this expansion ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.
次に図7および図8を参照しつつ本発明において用いられている超膨張比サイクルについて説明する。なお、図7は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図8は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。 Next, the super expansion ratio cycle used in the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.
図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ吸気下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図8(A)に示す例でも図6の(A)、(B)、(C)に示す例と同様に燃焼室容積が50mlとされ、ピストンの行程容積が500mlとされている。図8(A)からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11であり、実圧縮比もほぼ11であり、膨張比も(50ml+500ml)/50ml=11となる。すなわち、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 piston stroke volume 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、すなわ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高くなるほど、すなわ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。したが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, the actual compression ratio should be increased. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.
一方、このような状況下で機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことが見出されたのである。すなわち、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が必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。 On the other hand, under such circumstances, it is considered to increase the theoretical thermal efficiency while strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio. As a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the actual compression ratio is compared to the theoretical thermal efficiency. Was found to have little effect. That is, if the actual compression ratio is increased, the explosive force is increased, but a large amount of energy is required for compression. Thus, even if the actual compression ratio is increased, the theoretical thermal efficiency is hardly increased.
これに対し、膨張比を高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。したがって膨張比は高くすれば高くするほど理論熱効率が高くなる。図7の破線ε=10は実圧縮比を10に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比εを低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図7の実線で示す如く実圧縮比も膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。 On the other hand, when the expansion ratio is increased, the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke becomes longer, and thus the period during which the piston applies the rotational force to the crankshaft becomes longer. Therefore, the higher the expansion ratio, the higher the theoretical thermal efficiency. The broken line ε = 10 in FIG. 7 indicates the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased with the actual compression ratio fixed at 10. Thus, the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased while the actual compression ratio ε is maintained at a low value, and the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio is increased with the expansion ratio as shown by the solid line in FIG. It can be seen that there is no significant difference from the amount of increase.
このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、したが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幅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 greatly increase. 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)に示した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)に示した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。そこで、斯かるサイクルを超高膨張比サイクルと称する。 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. Therefore, such a cycle is referred to as an ultra-high expansion ratio cycle.
一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、したがって機関運転時における熱効率を向上させるためには、すなわち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示した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、したが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。したがって本発明では機関負荷が比較的低いときには図8(B)に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図8(A)に示す通常のサイクルとするようにしている。
Generally speaking, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, that is, to improve fuel efficiency, it is necessary to improve the thermal efficiency when the engine load is low. Necessary. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the
なお、前述したように図8(B)に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が26とされる。この膨張比は高いほど好ましいが図7からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε=5に対しても20以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。したが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。 As described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. The higher the expansion ratio, the better. However, as can be seen from FIG. 7, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained if it is 20 or more with respect to the practically usable lower limit actual compression ratio ε = 5. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.
次に図9を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。
図9には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比およびスロットル弁17の開度の各変化が示されている。なお、図9は、触媒コンバータ21内の排気浄化触媒によって排気ガス中の未燃HC、COおよびNOxを同時に低減しうるように燃焼室5内における平均空燃比が空燃比センサ22の出力信号に基づいて理論空燃比にフィードバック制御されている場合を示している。
Next, the overall operation control will be schematically described with reference to FIG.
FIG. 9 shows changes in the intake air amount, the intake valve closing timing, the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the actual compression ratio, and the opening degree of the throttle valve 17 according to the engine load at a certain engine speed. . 9 shows that the average air-fuel ratio in the
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。したがって図9に示されるようにこのときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は図7において実線で示される如く早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁17の開度は全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。
As described above, the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is executed during engine high load operation. Therefore, as shown in FIG. 9, the expansion ratio is low because the mechanical compression ratio is lowered at this time, and the valve closing timing of the
一方、図9において実線で示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁7の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図9に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、したがって機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁17は全開状態又はほぼ全開状態に保持されており、したがって燃焼室5内に供給される吸入空気量はスロットル弁17によらずに主に吸気弁7の閉弁時期を変えることによって制御されている。
On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 9, when the engine load becomes low, the closing timing of the
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。すなわち、吸入空気量の減少に比例してピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積が減少せしめられる。したがってピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき図9に示される例では燃焼室5内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は燃料量に比例して変化していることになる。
As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the
機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷L1まで低下すると機械圧縮比は燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。したがって低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時にはすなわち、機関低負荷運転側では機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると機関低負荷運転側では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。
When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased, and when the engine load is lowered to the medium load L 1 slightly close to the low load, the mechanical compression ratio reaches a limit mechanical compression ratio that is a structural limit of the
一方、図9に示される実施形態では機関負荷がL1まで低下すると吸気弁7の閉弁時期が燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域では吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 9, when the engine load decreases to L 1 , the closing timing of the
吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁7の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図9に示される実施形態ではこのとき、すなわち吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域ではスロットル弁17によって燃焼室5内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル弁17の開度は小さくされる。
When the closing timing of the
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。したがって、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、本発明による実施形態では吸気弁7の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期L1まで吸気下死点から離れる方向に移動せしめられることになる。このように吸入空気量は吸気弁7の閉弁時期を図9において実線で示すように変化させても制御することができるし、破線に示すように変化させても制御することができるが、以下本発明について吸気弁7の閉弁時期を図9において実線で示すように変化させた場合を例にとって説明する。
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
なお、上記実施形態では、機関負荷に関わらず実圧縮比がほぼ一定となるように吸気弁7の閉弁時期及び機械圧縮比が制御されているが、他のパラメータに基づいて吸気弁7の閉弁時期及び機械圧縮比を制御してもよい。例えば、ノッキングの発生を抑制するという観点からは、少なくとも機関負荷が或る一定の機関負荷以上の領域において、ピストン4が圧縮上死点にあるときの燃焼室5内の混合気の温度(圧縮端温度)又は圧力(圧縮端圧力)がほぼ一定になるように吸気弁7の閉弁時期及び機械圧縮比を制御してもよい。
In the above embodiment, the valve closing timing and the mechanical compression ratio of the
ところで、図6(B)を参照して説明したように、実圧縮比は、実際に圧縮作用が開始された時の燃焼室容積からピストンが圧縮上死点に位置する時の燃焼室容積を減算した容積である(なお、以下では、「燃焼室容積」はピストンの運動によって変化する燃焼室5内の容積を意味する)。したがって、実圧縮比を正確に算出するためには、実際に圧縮作用が開始された時の燃焼室容積を正確に求めることが必要となる。
By the way, as explained with reference to FIG. 6B, the actual compression ratio is the combustion chamber volume when the piston is located at the compression top dead center from the combustion chamber volume when the compression action is actually started. This is the subtracted volume (hereinafter, “combustion chamber volume” means the volume in the
ここで、圧縮行程の途中で吸気弁7が閉弁する場合、圧縮行程中において、吸気弁7が閉弁するまではピストン4の上昇に伴って一旦燃焼室5内に充填された吸気ガスが吸気ポート8内に戻されるため、吸気弁7が閉弁するまではピストン4による燃焼室5内の吸気ガスの圧縮は行われないとも考えられる。しかしながら、実際には、図5からわかるように、吸気弁7のリフトは吸気弁7が開弁している間一定とはなっておらず、吸気弁7の閉弁時期に近づくにつれて徐々に小さくなる。このため、吸気弁7の閉弁直前においては燃焼室5内から吸気ポート8内に戻される吸気ガスに対して吸気弁7が絞りとなり、その結果、燃焼室5内の吸気ガスの圧縮は事実上、吸気弁7の閉弁前から開始されることになる。
Here, when the
また、一般に、内燃機関の吸気系は、所定の機関運転状態において吸気弁7の開弁に伴って吸気ポート8内に生じる吸気脈動により慣性過給が行われるように設計される。このように慣性過給が行われる場合、圧縮行程中において吸気弁7が開弁している間、吸気ポート8内の吸気ガスの圧力が高くなっている。このためピストン4が上昇しても燃焼室5内の吸気ガスは十分に吸気ポート8内へは戻らず、その結果、燃焼室5内の吸気ガスの圧縮は吸気弁7の閉弁前から開始されることになる。
In general, an intake system of an internal combustion engine is designed such that inertia supercharging is performed by intake pulsation generated in the
図10は、圧縮行程中における燃焼室容積V及び燃焼室圧力Pの推移を表す両対数PV線図である。図10の点aは圧縮行程の開始時、点bは圧縮行程の終了時をそれぞれ示しており、また点cは吸気弁7の閉弁時(すなわち、吸気弁7のリフト量がゼロになった時)を示している。図10からわかるように、燃焼室圧力Pは吸気弁7が閉弁する前の点dから上昇を開始している。したがって、吸気弁7の閉弁時(点c)の燃焼室容積を圧縮作用が開始された時の燃焼室容積(以下、「圧縮開始容積」という)として実圧縮比を算出すると、算出された実圧縮比は実際の実圧縮比よりも低いものとなってしまう。
FIG. 10 is a log-log PV diagram showing changes in the combustion chamber volume V and the combustion chamber pressure P during the compression stroke. Point a in FIG. 10 indicates the start of the compression stroke, point b indicates the end of the compression stroke, and point c indicates when the
一方、燃焼室圧力Pは点dから上昇を開始しているが、点dから点cに至るまでの間は燃焼室5内の吸気ガスは断熱圧縮されているわけではなく、よって燃焼室圧力Pが上昇する程度は小さい。このため、燃焼室圧力Pが上昇を開始した時(点d)の燃焼室容積を圧縮開始容積として実圧縮比を算出すると、算出された実圧縮比は実際の実圧縮比よりも高いものとなってしまう。
On the other hand, the combustion chamber pressure P starts to rise from the point d, but the intake gas in the
また、上述したように圧縮端温度又は圧縮端圧力がほぼ一定となるように吸気弁7の閉弁時期及び機械圧縮比を制御する場合、圧縮端温度や圧縮端圧力を実圧縮比に基づいて算出することが考えられる。しかしながら、上述したように吸気弁7の閉弁時(点c)の燃焼室容積や燃焼室5内の圧力Pが上昇を開始した時(点d)の燃焼室容積を圧縮開始容積として実圧縮比を算出すると、算出された実圧縮比が正確な値でないため、圧縮端温度や圧縮端圧力を正確に算出することができない。
Further, as described above, when the valve closing timing and the mechanical compression ratio of the
ところで、吸気弁7の閉弁後の燃焼室5内の吸気ガスの変化は断熱圧縮と近似することができる。断熱圧縮が行われている際には、燃焼室容積Vと燃焼室圧力Pとは両対数PV線図において直線的に変化する。このことは、図10の点aと点bの間がほぼ直線状であることからも明らかである。
By the way, the change of the intake gas in the
この点ab間の断熱圧縮線を延長させた直線(図中の破線M)は、吸気弁7の閉弁前にも燃焼室5内の吸気ガスが断熱圧縮されていると仮定した場合の燃焼室容積Vと燃焼室圧力Pとの関係を表している。また、この直線Mと吸気管内圧力(スロットル弁17の下流であって吸気弁7よりも上流側の吸気管内の平均圧力。或いは、サージタンク12内の平均圧力。図中の破線N)との交点(点e)は、吸気弁7の閉弁前にも燃焼室5内の吸気ガスが断熱圧縮されていると仮定したときに燃焼室5内の吸気ガスの圧縮が開始される時を表している。
A straight line obtained by extending the adiabatic compression line between the points ab (broken line M in the figure) is combustion when it is assumed that the intake gas in the
そこで、本実施形態では、これら直線Mと直線Nとの交点(点e)を圧縮作用が開始された時と近似すると共に、この点eにおける燃焼室容積を圧縮作用が開始された時の燃焼室容積(圧縮開始容積)と近似することとしている。このように近似することで、圧縮開始容積を比較的正確に求めることができるようになると共に、これに伴って実圧縮比、圧縮端温度や圧縮端圧力を比較的正確に求めることができるようになる。 Therefore, in this embodiment, the intersection (point e) between the straight line M and the straight line N is approximated to the time when the compression action is started, and the combustion chamber volume at this point e is combusted when the compression action is started. It is supposed to approximate the chamber volume (compression start volume). By approximating in this way, the compression start volume can be determined relatively accurately, and the actual compression ratio, compression end temperature, and compression end pressure can be determined relatively accurately. become.
具体的には、機関運転状態毎に吸気弁7の閉弁時における燃焼室容積V1と点eにおける燃焼室容積V2との乖離量ΔVを実験により又は計算により予め算出して、マップとしてECU30のROM32に保存しておく。そして、機関運転中においては、現在の吸気弁7の閉弁時期に基づいて吸気弁閉弁時の燃焼室容積を算出すると共に、機関運転状態に基づいて乖離量ΔVを算出し、算出された吸気弁閉弁時の燃焼室容積から乖離量ΔVを減算することで圧縮開始容積を算出することとしている。
Specifically, for each engine operating state, a deviation amount ΔV between the combustion chamber volume V 1 when the
換言すると、本実施形態では、吸気弁7の閉弁後における燃焼室5内の吸気ガスの圧縮が断熱圧縮であると仮定すると共に該断熱圧縮が吸気弁の閉弁前にも行われていると仮定した場合に、燃焼室5内の圧力が吸気管内圧力となる時期における燃焼室容積V2と、吸気弁7の閉弁時期における燃焼室容積V1との差を乖離量ΔVとして算出すると共に、現在の吸気弁7の閉弁時期における燃焼室容積を算出し、算出された吸気弁7の閉弁時期における燃焼室容積から乖離量ΔVを減算することによって圧縮作用開始時期における燃焼室容積を算出することとしている。
In other words, in this embodiment, it is assumed that the compression of the intake gas in the
なお、上記実施形態では、燃焼室5内の圧力が吸気管内圧力となる時期における燃焼室容積V2と、吸気弁7の閉弁時期における燃焼室容積V1との差を乖離量ΔVとして算出している。しかしながら、V2は必ずしも燃焼室5内の圧力が吸気管内圧力となる時期における燃焼室容積でなくてもよく、吸気管内圧力よりも僅かに異なる圧力であったり、大気圧であったりしてもよい。
In the above embodiment, the difference between the combustion chamber volume V 2 when the pressure in the
次に、機関運転状態と乖離量ΔVとの関係について説明する。図11は、乖離量ΔVと、吸気弁7の閉弁時期及び機関回転数との関係を示す図である。図11からわかるように、機関回転数が高くなるほど乖離量ΔVは大きくなる。これは機関回転数が高くなるほど吸気ポート8に戻る際の吸気ガスの流速が大きくなり、吸気弁7による絞りの影響が大きくなることによるものである。
Next, the relationship between the engine operating state and the deviation amount ΔV will be described. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the deviation amount ΔV, the closing timing of the
また、図11からわかるように、吸気弁7の閉弁時期が中程度の時期(90°ABDC付近)である場合にも乖離量ΔVが大きくなる。すなわち、吸気弁7の閉弁時期が中程度の時期である場合、単位クランク角当たり(従って、単位時間当たり)の燃焼室容積の減少速度が速くなる。このため、吸気弁7の閉弁時期付近では一旦燃焼室5内に吸入された吸気ガスが多量に吸気ポート8に戻ろうとする。しかしながら、吸気弁7の閉弁時期付近では吸気弁7のリフトが小さく、よって燃焼室5内の吸気ガスは吸気ポート8に十分に戻れなくなる。このため、吸気弁7の閉弁時期が中程度の時期である場合にも乖離量ΔVが大きくなる。
As can be seen from FIG. 11, the deviation amount ΔV also increases when the
さらに、図11からわかるように、吸気弁7の閉弁時期が遅角側の時期である場合にも乖離量ΔVは比較的大きい。すなわち、吸気弁7の閉弁時期が遅角側の時期である場合、圧縮行程が開始されてから吸気弁7が閉弁するまでの時間が長いものとなる。この間、一旦燃焼室5内に吸入された吸気ガスは長期間に亘って吸気ポート8に戻されることになるが、この期間中吸気ポート8に戻される吸気ガスに対して吸気弁7が絞りになることから、この期間が長いと乖離量ΔVが大きくなる。従って、吸気弁7の閉弁時期が遅角側の時期である場合にも乖離量ΔVは比較的大きくなる。
Further, as can be seen from FIG. 11, the deviation amount ΔV is relatively large even when the closing timing of the
また、図12からわかるように、吸気弁7の開弁期間中における吸気弁7のリフト量が小さいほど乖離量ΔVは大きくなる。すなわち、図5(B)にcで示したようにリフト量が小さい場合、一旦燃焼室5内に吸入された吸気ガスが再び吸気ポート8に戻る際の絞りが大きくなり、逆に図5(B)にaで示したようにリフト量が大きい場合、一旦燃焼室5内に吸入された吸気ガスが再び吸気ポート8に戻る際の絞りが小さくなることによるものである。
As can be seen from FIG. 12, the deviation amount ΔV increases as the lift amount of the
このように乖離量ΔVは、機関回転数、吸気弁7の閉弁時期及び吸気弁7の開弁期間中における吸気弁7のリフト量に応じて変化することから、本実施形態では、これら運転パラメータと乖離量ΔVとの上述したような関係を実験により又は計算により予め求め、マップとしてECU30のROM32に保存すると共に、機関運転中においてはこれら運転パラメータの値に基づいてマップを用いて乖離量ΔVを算出するようにしている。
As described above, the deviation amount ΔV changes according to the engine speed, the closing timing of the
或いは、以下のようにして機関運転中に乖離量ΔVを算出してもよい。
まず、或る特定の機関運転状態において、すなわち機関回転数が或る機関回転数であり吸気弁7の閉弁時期が或る閉弁時期であり且つ吸気弁開弁期間中における吸気弁7のリフト量が或るリフト量である状態において、吸気弁7の閉弁時における燃焼室容積V1と上記点eにおける燃焼室5容積V2との乖離量ΔVを予め実験により又は計算により算出し、この乖離量ΔVを基準乖離量ΔVbaseとしてECU30のROM32に保存する。
Alternatively, the deviation amount ΔV may be calculated during engine operation as follows.
First, in a specific engine operating state, that is, the engine speed is a certain engine speed, the closing timing of the
加えて、機関回転数と乖離量ΔVとの関係に基づいて、機関回転数に応じた補正係数(回転数補正係数)kreを予め実験により又は計算により算出する。回転数補正係数kreは、図13(A)に示したように機関回転数が低いときには小さく、機関回転数が増大するのに伴って大きくなるような値とされる。 In addition, based on the relationship between the engine speed and the deviation amount ΔV, a correction coefficient (rotation speed correction coefficient) k re corresponding to the engine speed is calculated in advance by experiment or calculation. As shown in FIG. 13A, the rotational speed correction coefficient k re is small when the engine rotational speed is low, and is set to a value that increases as the engine rotational speed increases.
また、吸気弁7の閉弁時期と乖離量ΔVとの関係に基づいて、吸気弁7の閉弁時期に応じた補正係数(閉弁時期補正係数)kivcを予め実験により又は計算により算出する。閉弁時期補正係数kivcは、図13(B)に示したように、吸気弁7の閉弁時期が進角側の時期であるときには小さい値とされ、吸気弁7の閉弁時期が中程度の時期或いは遅角側の時期であるときには大きい値とされる。
Further, based on the relationship between the valve closing timing of the
さらに、吸気弁7の開弁期間中における吸気弁7のリフト量と乖離量ΔVとの関係に基づいて、吸気弁7の開弁期間中における吸気弁7のリフト量に応じた補正係数(リフト量補正係数)klaを予め実験により又は計算により算出する。リフト量補正係数klaは、図13(C)に示したように、吸気弁7のリフト量が小さいときには大きく、吸気弁7のリフト量が大きくなるのに伴って小さくなるような値とされる。
Further, based on the relationship between the lift amount of the
機関運転中においては、機関回転数、吸気弁7の閉弁時期及び吸気弁7の開弁期間中における吸気弁7のリフト量等の運転パラメータの値に基づいて補正係数kre、kivc、klaを算出し、上述した基準乖離量ΔVにこれら補正係数kre、kivc、klaを乗算することによって乖離量ΔVが算出される(ΔV=ΔVbase・kre・kivc・kla)。
During engine operation, the correction coefficients k re , k ivc , and the like are based on the values of operation parameters such as the engine speed, the closing timing of the
図14は、本実施形態における吸気弁7の目標閉弁時期及び目標機械圧縮比の設定手順を示すフローチャートである。
FIG. 14 is a flowchart showing a procedure for setting the target valve closing timing and the target mechanical compression ratio of the
図14に示したように、まず、ステップS11では、負荷センサ41により要求負荷が検出される。次いで、ステップS12では、ステップS11で検出された要求負荷に基づいて吸気弁7の目標閉弁時期が算出される。具体的には、図9に示したように、機関負荷が限界閉弁時期に対応する機関負荷L1以上であるときには機関負荷が高くなるほど吸気弁7の目標閉弁時期は進角され、L1以下であるときには吸気弁7の目標閉弁時期は限界閉弁時期とされる。
As shown in FIG. 14, first, in step S11, the required load is detected by the
次いで、ステップS13において、クランク角センサ42の出力に基づいて機関回転数が検出されると共に、検出された機関回転数に基づいて図13(A)に示したようなマップを用いて回転数補正係数kreが算出される。ステップS14では、ECU30から可変バルブタイミング機構Bへの指令値に基づいて吸気弁7の閉弁時期が算出されると共に、算出された吸気弁7の閉弁時期に基づいて図13(B)に示したようなマップを用いて閉弁時期補正係数kivcが算出される。その後、ステップS15では、ECU30から可変バルブタイミング機構Bへの指令値に基づいて吸気弁7の開弁期間中のリフト量が算出されると共に、算出されたリフト量に基づいて図13(C)に示したようなマップを用いてリフト量補正係数klaが算出される。
Next, in step S13, the engine speed is detected based on the output of the crank angle sensor 42, and the engine speed is corrected using a map as shown in FIG. 13A based on the detected engine speed. A coefficient k re is calculated. In step S14, the closing timing of the
次いで、ステップS16では、基準乖離量ΔVbaseに、ステップS13で算出された回転数補正係数kreと、ステップS14で算出された閉弁時期補正係数kivcと、ステップS15で算出されたリフト量補正係数klaとを乗算することで、乖離量ΔVが算出される(ΔV=ΔVbase・kre・kivc・kla)。 Next, in step S16, the reference deviation amount ΔV base is added to the rotation speed correction coefficient k re calculated in step S13, the valve closing timing correction coefficient k ivc calculated in step S14, and the lift amount calculated in step S15. The deviation amount ΔV is calculated by multiplying the correction coefficient k la (ΔV = ΔV base · k re · kiv · k la ).
ステップS17では、ステップS14で算出された吸気弁7の閉弁時期に基づいてこの時期の燃焼室容積が算出されると共に、算出された吸気弁7閉弁時期における燃焼室容積からステップS16で算出された乖離量ΔVを減算することで、圧縮開始容積が算出される。
In step S17, the combustion chamber volume at this timing is calculated based on the closing timing of the
ステップS18では、ステップS17で算出された圧縮開始容積と目標実圧縮比とに基づいて機械圧縮比が算出される。すなわち、ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積が圧縮開始容積を目標実圧縮比で除算した値となるように目標機械圧縮比が設定される。 In step S18, the mechanical compression ratio is calculated based on the compression start volume calculated in step S17 and the target actual compression ratio. That is, the target mechanical compression ratio is set so that the combustion chamber volume when the piston is at the compression top dead center is a value obtained by dividing the compression start volume by the target actual compression ratio.
なお、上記実施形態では、算出された圧縮開始容積に基づいて目標機械圧縮比を設定している。しかしながら、算出された圧縮開始容積に基づいて他の制御パラメータを設定するようにしてもよい。 In the above embodiment, the target mechanical compression ratio is set based on the calculated compression start volume. However, other control parameters may be set based on the calculated compression start volume.
例えば、吸気弁閉弁時の燃焼室5内の吸気ガスの温度及び圧力を検出又は算出することができれば、これら吸気弁閉弁時の燃焼室5内の吸気ガスの温度及び圧力と圧縮開始容積及びピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積とに基づいて圧縮端温度及び圧縮端圧力を算出することができる。
For example, if the temperature and pressure of the intake gas in the
したがって、このようにして算出された圧縮端温度及び圧縮端圧力に基づいて、点火プラグ6による点火時期や、燃料噴射弁13が燃焼室5内に配置されている場合には燃料噴射弁13からの燃料噴射時期を設定するようにしてもよい。この場合、例えば、圧縮端温度が高くなるほど点火プラグ6による点火時期が遅角される。
Therefore, based on the compression end temperature and the compression end pressure calculated in this way, the ignition timing by the
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
16 アクチュエータ
17 スロットル弁
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
DESCRIPTION OF
Claims (8)
機関回転数、吸気弁の閉弁時期及び吸気弁開弁期間中における吸気弁のリフト量の少なくともいずれか一つを含む機関運転パラメータに基づいて、吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積とピストンが実際の圧縮作用を開始する圧縮作用開始時期における燃焼室容積との乖離量を算出する乖離量算出手段と、
実際の吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積を算出する閉弁時容積算出手段と、
上記閉弁時容積算出手段によって算出された実際の吸気弁の閉弁時期における燃焼室容積から上記乖離量算出手段によって算出された乖離量を減算して圧縮作用開始時期における燃焼室容積を算出する圧縮開始容積算出手段と、
上記圧縮開始容積算出手段によって算出された圧縮作用開始時期における燃焼室容積に基づいて内燃機関の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定手段とを具備し、
上記乖離量算出手段は、予め定められた基準乖離量を、吸気弁の閉弁時期に基づいて補正することによって上記乖離量を算出する、内燃機関の制御装置。 In a control device for an internal combustion engine comprising a variable valve timing mechanism capable of changing a closing timing of an intake valve, which is a timing at which the lift amount of the intake valve becomes zero,
Based on engine operating parameters including at least one of the engine speed, intake valve closing timing, and intake valve lift during the intake valve opening period, the combustion chamber volume and piston at the closing timing of the intake valve A deviation amount calculating means for calculating a deviation amount from the combustion chamber volume at the compression action start time at which the actual compression action starts,
A valve closing time volume calculating means for calculating the combustion chamber volume at the actual closing timing of the intake valve;
The combustion chamber volume at the compression action start timing is calculated by subtracting the deviation amount calculated by the deviation amount calculation means from the combustion chamber volume at the actual valve closing timing of the intake valve calculated by the valve closing volume calculation means. Compression start volume calculating means;
Control parameter setting means for setting a control parameter of the internal combustion engine based on the combustion chamber volume at the compression action start time calculated by the compression start volume calculation means ,
The control device for an internal combustion engine, wherein the divergence amount calculating means calculates the divergence amount by correcting a predetermined reference divergence amount based on a closing timing of the intake valve .
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