JP2007239489A - Variable compression ratio engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、可変圧縮比エンジンに関する。 The present invention relates to a variable compression ratio engine.
エンジンは、空燃比がリーンである方が燃料消費量が少なく燃費が向上する。ところが空燃比がストイキ（空燃比１５程度）よりもややリーンの状態（空燃比１６〜１７程度）では窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が非常に多くなる。空燃比がさらにリーンの状態では、空燃比が１６程度のときよりはＮＯｘの排出量が減少するものの、それでも依然としてＮＯｘの排出量が多い。またエンジンは希薄空燃比限界を超えては混合気中に含有される燃料が少なすぎて、筒内燃焼が不安定になって運転できない。そこで従来のいわゆるリーンバーンエンジンは、筒内燃焼が不安定にならず、かつ燃費を向上させるために、希薄空燃比限界を超えない範囲で空燃比をリーンにしている。そして、排出される多量のＮＯｘについては触媒で浄化する必要があり、このために使用するＮＯｘ浄化触媒（例えばＮＯｘを一旦トラップしてからＮＯｘを浄化するＮＯｘトラップ触媒など）は高価である。またＮＯｘを還元するために燃料又は過濃燃焼ガスを必要とするので燃費低減効果が少ない。 When the air-fuel ratio is lean, the engine consumes less fuel and improves fuel efficiency. However, when the air-fuel ratio is slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (about 15) (air-fuel ratio 16-17), the amount of nitrogen oxide (NOx) discharged becomes very large. When the air-fuel ratio is further lean, the amount of NOx emission is reduced compared to when the air-fuel ratio is about 16, but the amount of NOx emission is still large. Further, the engine cannot be operated because the in-cylinder combustion becomes unstable because the amount of fuel contained in the air-fuel mixture is too small beyond the lean air-fuel ratio limit. Therefore, in the conventional so-called lean burn engine, in-cylinder combustion does not become unstable, and in order to improve fuel efficiency, the air-fuel ratio is made lean within a range that does not exceed the lean air-fuel ratio limit. A large amount of exhausted NOx needs to be purified by a catalyst, and a NOx purification catalyst used for this purpose (for example, a NOx trap catalyst that traps NOx and then purifies NOx) is expensive. Further, since fuel or rich combustion gas is required to reduce NOx, the fuel consumption reduction effect is small.
ところで希薄空燃比限界を拡大するには、圧縮比を高くするとよいことが知られている。すなわち圧縮比が高ければ点火時の燃焼室内容積が小さいので、少ない燃料でも着火しやすくなる。そのため空燃比が、よりリーンな範囲でも安定して筒内燃焼するのである。 By the way, it is known that the compression ratio should be increased to expand the lean air-fuel ratio limit. That is, if the compression ratio is high, the combustion chamber volume at the time of ignition is small, so that it is easy to ignite even with a small amount of fuel. Therefore, in-cylinder combustion is stably performed even when the air-fuel ratio is in a leaner range.
そこで特許文献１に記載されたエンジンは、シリンダヘッドに設けた可変容積用ピストンによって燃焼室容積を変化させることで圧縮比を可変にし、低負荷時には圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大して、よりリーンな空燃比での運転を可能にしている。
しかし、前述した従来の可変圧縮比エンジンは、確かに圧縮比を高くすることで希薄燃焼安定限界を拡大でき、空燃比をよりリーンにすることができ、ＮＯｘを減少できる。ところがこのようなエンジンでは、空燃比をせいぜい２４〜２５程度にすることが限界であり、ＮＯｘトラップ触媒などを完全に廃止することができるまでＮＯｘを減少することはできない。 However, the above-described conventional variable compression ratio engine can certainly increase the lean combustion stability limit by increasing the compression ratio, make the air-fuel ratio leaner, and reduce NOx. However, in such an engine, the limit is that the air-fuel ratio is at most about 24 to 25, and NOx cannot be reduced until the NOx trap catalyst or the like can be completely abolished.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘの排出量が極小であるほど空燃比が超リーンであってもＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化装置が不要な可変圧縮比エンジンを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and a NOx purifying apparatus such as a NOx trap catalyst is unnecessary even if the air-fuel ratio is super lean as the emission amount of NOx is minimized. It aims to provide a variable compression ratio engine.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、複数のリンク（１１，１２）を介してクランクシャフト（３３）に連結するピストン（３２）と、前記複数のリンク（１１，１２）のうちの少なくともひとつのリンク（１２）の動作を規制して前記ピストン（３２）の上死点位置を調整して圧縮比を変更する圧縮比変更手段（５１〜５３）と、所定負荷よりも低い低負荷域において、負荷に応じた圧縮比にして希薄空燃比限界を拡大するとともに、その拡大した希薄空燃比限界付近まで混合気の空燃比をリーンにする運転状態制御手段（７０）とを有することを特徴とする。 The present invention provides a piston (32) connected to a crankshaft (33) via a plurality of links (11, 12), and an operation of at least one link (12) of the plurality of links (11, 12). And compression ratio changing means (51-53) for changing the compression ratio by adjusting the top dead center position of the piston (32), and a compression ratio corresponding to the load in a low load region lower than a predetermined load And an operating state control means (70) for extending the lean air-fuel ratio limit and leaning the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the vicinity of the expanded lean air-fuel ratio limit.
複数のリンクを介してクランクシャフトとピストンとを連結する複リンク式可変圧縮比エンジンは、ピストンとクランクシャフトとを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジンに比べて、ピストンの上死点付近滞在時間が長い。また圧縮比が高いほうが、ピストンの上死点付近滞在時間が長くなるという特性がある。本発明はそのような特性を利用することで、空燃比を３０程度以上にしても運転できるようになったのである。そしてこのように運転することで、ＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化装置が不要になるほど、ＮＯｘの排出量を低減できるようになったのである。 The multi-link variable compression ratio engine that connects the crankshaft and piston via multiple links is connected to the piston and crankshaft by a single link (connecting rod), compared to a normal engine with a constant compression ratio. The staying time near the top dead center of the piston is long. The higher the compression ratio, the longer the stay time near the top dead center of the piston. By utilizing such characteristics, the present invention can be operated even when the air-fuel ratio is about 30 or more. By operating in this way, the amount of NOx emission can be reduced to the extent that a NOx purification device such as a NOx trap catalyst becomes unnecessary.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による可変圧縮比エンジンの第１実施形態を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a variable compression ratio engine according to the present invention.
本件発明者らは、従来より、図１に示すようなピストンとクランクシャフトとを２つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比エンジン（以下「複リンク式可変圧縮比エンジン」という）について鋭意研究を重ねている。この複リンク式可変圧縮比エンジンは、ピストンとクランクシャフトとを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン（以下「ノーマルエンジン」という）に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある（詳細は例えば特開2002-285857号公報）。 The inventors of the present invention have been diligently involved in a variable compression ratio engine (hereinafter referred to as a “multi-link variable compression ratio engine”) using a multi-link mechanism that connects a piston and a crankshaft by two links as shown in FIG. Research is repeated. In this multi-link variable compression ratio engine, the piston and crankshaft are connected by a single link (connecting rod), and the piston is higher than a normal engine (hereinafter referred to as “normal engine”) with a constant compression ratio. There is a characteristic that the period of staying in the vicinity of the dead center is long (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-285857 for details).
そして発明者らのさらなる研究によって、この特性を利用すれば、複リンク式可変圧縮比エンジンの希薄燃焼安定限界を拡大でき、ＮＯｘ排出量をほとんど無くすことができるということが知見された。 Further research by the inventors has revealed that if this characteristic is utilized, the lean combustion stability limit of a multi-link variable compression ratio engine can be expanded, and NOx emissions can be almost eliminated.
本発明は、発明者らのそのような知見に基づいてなされたものである。 The present invention has been made based on such findings of the inventors.
まず最初に複リンク式可変圧縮比エンジンについて説明する。図１は、複リンク式可変圧縮比エンジンを示す図である。 First, a multi-link variable compression ratio engine will be described. FIG. 1 is a diagram showing a multi-link variable compression ratio engine.
複リンク式可変圧縮比エンジン１０は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンク（アッパリンク（第１リンク）１１、ロアリンク（第２リンク）１２）で連結するとともに、コントロールリンク（第３リンク）１３でロアリンク１２を制御して機関圧縮比を変更する。 The multi-link variable compression ratio engine 10 connects the piston 32 and the crankshaft 33 with two links (an upper link (first link) 11 and a lower link (second link) 12) and a control link (third The link) 13 controls the lower link 12 to change the engine compression ratio.
アッパリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端を連結ピン２２を介してロアリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。 The upper link 11 has an upper end connected to the piston 32 via the piston pin 21 and a lower end connected to one end of the lower link 12 via the connection pin 22. The piston 32 receives the combustion pressure and reciprocates in the cylinder 31 a of the cylinder block 31.
ロアリンク１２は、一端を連結ピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、他端を連結ピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として回転する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能に構成される。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が回転自在に連結する。 One end of the lower link 12 is connected to the upper link 11 via a connecting pin 22, and the other end is connected to the control link 13 via a connecting pin 23. Further, the lower link 12 is inserted into the substantially central connecting hole with the crankpin 33b of the crankshaft 33, and rotates around the crankpin 33b. The lower link 12 is configured to be split into two left and right members. The crankshaft 33 includes a plurality of journals 33a and a crankpin 33b. The journal 33 a is rotatably supported by the cylinder block 31 and the ladder frame 34. The crank pin 33b is eccentric by a predetermined amount from the journal 33a, and the lower link 12 is rotatably connected thereto.
コントロールリンク１３は、先端に連結ピン２３を挿入し、ロアリンク１２に回動可能に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギアが形成されており、そのギヤがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。 The control link 13 has a connecting pin 23 inserted at the tip thereof and is connected to the lower link 12 so as to be rotatable. The other end of the control link 13 is connected to the control shaft 25 via a connecting pin 24. The control link 13 swings around the connecting pin 24. Further, a gear is formed on the control shaft 25, and the gear meshes with a pinion 53 provided on the rotating shaft 52 of the actuator 51. The control shaft 25 is rotated by the actuator 51, and the connecting pin 24 moves.
コントローラ７０はアクチュエータ５１を制御してコントロールシャフト２５を回転させて圧縮比を変更する。またコントローラ７０は吸気ポートに設けられた燃料噴射弁４１の燃料噴射を制御する。さらにコントローラ７０はシリンダヘッドに設けられた点火プラグ４２の点火時期を制御する。また排気弁６１は後述のようにその開閉タイミングを変更可能であり、コントローラ７０はその排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を調整する。コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。 The controller 70 controls the actuator 51 to rotate the control shaft 25 to change the compression ratio. The controller 70 controls the fuel injection of the fuel injection valve 41 provided at the intake port. Further, the controller 70 controls the ignition timing of the ignition plug 42 provided in the cylinder head. The opening / closing timing of the exhaust valve 61 can be changed as will be described later, and the controller 70 controls the opening / closing timing of the exhaust valve 61 to adjust the EGR amount. The controller 70 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). The controller 70 may be composed of a plurality of microcomputers.
図２は排気弁の開閉タイミング調整機構を説明する図であり、図２（Ａ）は開弁時の状態、図２（Ａ）は閉弁時の状態を表す。 2A and 2B are diagrams for explaining an exhaust valve opening / closing timing adjustment mechanism. FIG. 2A shows a state when the valve is opened, and FIG. 2A shows a state when the valve is closed.
排気弁の開閉タイミングを調整する機構としては、例えば特開2004-346825号公報のように開閉リフト量と開閉タイミングを変更するものや、特開2000-45733号公報のように電磁駆動機構によって開閉タイミングを変更可能なものがある。ここでは電磁駆動機構によるものを簡単に説明する。 As a mechanism for adjusting the opening / closing timing of the exhaust valve, for example, a mechanism for changing the opening / closing lift amount and the opening / closing timing as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-346825, or an electromagnetic driving mechanism as disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-45733. Some can change timing. Here, what is based on an electromagnetic drive mechanism is demonstrated easily.
排気弁６１は、バルブシート６３に着座又は離座することによって排気ポート６２を開閉する。排気弁６１のバルブステム６４には、可動子６５が固着されている。可動子６５は、磁性材料で形成されている。可動子６５は、上側スプリング６６及び下側スプリング６７と連結する。上側スプリング６６及び下側スプリング６７は、バルブステム６４を遊挿する。可動子６５の上下には、開弁用電磁コイル６８と閉弁用電磁コイル６９とを備える。開弁用電磁コイル６８は、下側スプリング６７を遊挿する。閉弁用電磁コイル６９は、上側スプリング６６を遊挿する。 The exhaust valve 61 opens and closes the exhaust port 62 by being seated on or separated from the valve seat 63. A mover 65 is fixed to the valve stem 64 of the exhaust valve 61. The mover 65 is made of a magnetic material. The mover 65 is connected to the upper spring 66 and the lower spring 67. The upper spring 66 and the lower spring 67 loosely insert the valve stem 64. Above and below the mover 65, a valve opening electromagnetic coil 68 and a valve closing electromagnetic coil 69 are provided. The valve opening electromagnetic coil 68 is loosely inserted into the lower spring 67. The solenoid coil 69 for valve closing inserts the upper spring 66 loosely.
次に、排気弁６１の開閉動作について説明する。開弁用電磁コイル６８及び閉弁用電磁コイル６９への電力供給がともに遮断されている状態では、上側スプリング６６及び下側スプリング６７の弾性力によって、可動子６５は電磁コイル６８，６９の中間に位置する。開弁用電磁コイル６８に通電すると、図２（Ａ）に示すように可動子６５は開弁用電磁コイル６８に引き寄せられて矢印Ｃの方向に移動し、排気ポート６２を開弁する。一方、閉弁用電磁コイル６９に通電すると、図２（Ｂ）のように可動子６５は閉弁用電磁コイル６９に引き寄せられて矢印Ｄの方向に移動し、排気ポート６２を閉弁する。 Next, the opening / closing operation of the exhaust valve 61 will be described. In a state where power supply to both the valve opening electromagnetic coil 68 and the valve closing electromagnetic coil 69 is interrupted, the mover 65 is placed between the electromagnetic coils 68 and 69 by the elastic force of the upper spring 66 and the lower spring 67. Located in. When the valve opening electromagnetic coil 68 is energized, as shown in FIG. 2A, the mover 65 is attracted to the valve opening electromagnetic coil 68 and moves in the direction of arrow C, and the exhaust port 62 is opened. On the other hand, when the valve closing electromagnetic coil 69 is energized, the mover 65 is attracted to the valve closing electromagnetic coil 69 and moves in the direction of arrow D as shown in FIG. 2B, thereby closing the exhaust port 62.
このようにすれば、排気弁６１をクランクシャフトの回転と独立して開閉させることができる。そして排気弁６１を早めに閉じることで排ガスを燃焼室内に閉じ込め、この排ガスによってＥＧＲ効果を得ることができる。 In this way, the exhaust valve 61 can be opened and closed independently of the rotation of the crankshaft. By closing the exhaust valve 61 early, the exhaust gas is confined in the combustion chamber, and the EGR effect can be obtained by this exhaust gas.
図３は複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a compression ratio changing method by a multi-link variable compression ratio engine.
コントロールシャフト２５を回転して、連結ピン２４の位置を変更することで、機関圧縮比が変更する。例えば図３（Ａ）、図３（Ｃ）に示すように連結ピン２４を位置Ａにすれば、上死点位置が高くなり高圧縮比になる。 By rotating the control shaft 25 and changing the position of the connecting pin 24, the engine compression ratio is changed. For example, as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (C), when the connecting pin 24 is set to the position A, the top dead center position is increased and the compression ratio is increased.
そして図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示すように、連結ピン２４を位置Ｂにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、連結ピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン２２が下がり、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。 As shown in FIGS. 3B and 3C, when the connecting pin 24 is set to the position B, the control link 13 is pushed upward, and the position of the connecting pin 23 is raised. As a result, the lower link 12 rotates counterclockwise about the crank pin 33b, the connecting pin 22 is lowered, and the position of the piston 32 at the piston top dead center (TDC) is lowered. Therefore, the compression ratio becomes a low compression ratio.
図４は、ピストン挙動を示す図であり、図４（Ａ）は図４（Ｂ）の点線部の拡大図である。 FIG. 4 is a diagram showing the piston behavior, and FIG. 4 (A) is an enlarged view of a dotted line part of FIG. 4 (B).
上述したように、複リンク式可変圧縮比エンジンは、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。この点を図４を参照して説明する。図４には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動が細実線で示されている。この図より、複リンク式可変圧縮比エンジンは、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いことが分かる。 As described above, the multi-link variable compression ratio engine has a longer period in which the piston stays near the top dead center than the normal engine having the same compression ratio. This point will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the piston behavior of a multi-link variable compression ratio engine having the same compression ratio as that of the normal engine is shown by a thin solid line. From this figure, it can be seen that the multi-link variable compression ratio engine has a longer period during which the piston stays near the top dead center than the normal engine having the same compression ratio.
さらにピストンが上死点から所定の距離内にあるときを、ピストンが上死点付近にあるとすると、複リンク式可変圧縮比エンジンの高圧縮比のときに上死点付近にあるときの方が、低圧縮比のときに上死点付近にあるときよりも、ピストンの上死点付近滞在期間が長い。すなわち図４（Ｂ）において、Ｌ1＞Ｌ2である。 Furthermore, when the piston is within a predetermined distance from the top dead center and the piston is near the top dead center, the direction when the piston is near the top dead center when the compression ratio of the multi-link variable compression ratio engine is high. However, the staying period near the top dead center of the piston is longer than when it is near the top dead center when the compression ratio is low. That is, in FIG. 4B, L1> L2.
このように複リンク式可変圧縮比エンジンは、ノーマルエンジンに比べてピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。さらに圧縮比が高い方がピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。ピストンが上死点付近に長く滞在するということは、燃焼中に高圧縮状態が長く維持されるということである。高圧縮状態が長く維持されると、超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができるので燃焼性が安定する。 Thus, the multi-link variable compression ratio engine has a longer period during which the piston stays near the top dead center than the normal engine. Furthermore, the higher the compression ratio, the longer the piston stays near top dead center. The fact that the piston stays in the vicinity of the top dead center means that the high compression state is maintained for a long time during combustion. If the high compression state is maintained for a long time, relatively high combustion energy can be obtained even in the case of ultra lean combustion, so that the combustibility is stabilized.
複リンク式可変圧縮比エンジンはこのような特性を有することから、図５の特性を有する。図５（Ａ）は、空燃比と燃焼安定度との関係を示す図である。図中の細線はノーマルエンジン、太線は複リンク式可変圧縮比エンジンである。 Since the multi-link variable compression ratio engine has such characteristics, it has the characteristics shown in FIG. FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the combustion stability. The thin line in the figure is a normal engine, and the thick line is a multi-link variable compression ratio engine.
この図を見て分かるように、ノーマルエンジン（圧縮比８〜１２程度）において燃焼安定性を確保できる空燃比は２２程度である。 As can be seen from this figure, the air-fuel ratio that can ensure combustion stability in a normal engine (compression ratio of about 8 to 12) is about 22.
一方、複リンク式可変圧縮比エンジンによれば、ピストンの上死点付近滞在時間が長いので、燃焼安定限界が損なわれにくい。そして圧縮比を高くすることで（例えば圧縮比１８程度）、空燃比A/Fが３０程度まで安定した燃焼をすることができる。 On the other hand, according to the multi-link variable compression ratio engine, since the stay time near the top dead center of the piston is long, the combustion stability limit is not easily lost. Further, by increasing the compression ratio (for example, about compression ratio 18), stable combustion can be performed up to an air-fuel ratio A / F of about 30.
図５（Ｂ）は、複リンク式可変圧縮比エンジンにおける空燃比と排出ＮＯｘ量との関係を示す図である。図中の太線は高圧縮比の場合、細線は低圧縮比の場合である。 FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the amount of exhausted NOx in a multi-link variable compression ratio engine. The thick line in the figure is for a high compression ratio, and the thin line is for a low compression ratio.
この図より、圧縮比が低い方が排出されるＮＯｘ量が少ないものの、空燃比を略３０以上にしてしまうと、圧縮比にかかわらず、ほとんどＮＯｘが排出されないことが分かる。 From this figure, it can be seen that although the amount of NOx discharged is lower when the compression ratio is lower, if the air-fuel ratio is increased to about 30 or more, almost no NOx is discharged regardless of the compression ratio.
このような特性を利用して本発明では圧縮比及び空燃比を以下のように制御するようにした。 Utilizing such characteristics, in the present invention, the compression ratio and the air-fuel ratio are controlled as follows.
図６は、本発明による制御ロジックのメインフローチャートである。 FIG. 6 is a main flowchart of the control logic according to the present invention.
ステップＳ１においてコントローラ７０は、運転状態を検出する。具体的には空気吸入量や燃料噴射量に基づいて負荷を検出する。 In step S1, the controller 70 detects the operating state. Specifically, the load is detected based on the air intake amount and the fuel injection amount.
ステップＳ２においてコントローラ７０は、運転負荷領域が低負荷領域であるか否かを判定する。低負荷領域のときはステップＳ３に処理を移し、低負荷領域でなければステップＳ４に処理を移す。 In step S2, the controller 70 determines whether or not the driving load region is a low load region. If it is the low load region, the process proceeds to step S3, and if it is not the low load region, the process proceeds to step S4.
ステップＳ３においてコントローラ７０は、低負荷運転を行う。具体的な内容は後述する。 In step S3, the controller 70 performs a low load operation. Specific contents will be described later.
ステップＳ４においてコントローラ７０は、運転負荷領域が中負荷領域であるか否かを判定する。中負荷領域のときはステップＳ５に処理を移し、中負荷領域でなければステップＳ６に処理を移す。 In step S4, the controller 70 determines whether or not the driving load region is a medium load region. If it is the middle load region, the process proceeds to step S5, and if it is not the middle load region, the process proceeds to step S6.
ステップＳ５においてコントローラ７０は、中負荷運転を行う。具体的な内容は後述する。 In step S5, the controller 70 performs medium load operation. Specific contents will be described later.
ステップＳ６においてコントローラ７０は、高負荷運転を行う。具体的な内容は後述する。 In step S6, the controller 70 performs a high load operation. Specific contents will be described later.
図７は低負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing a subroutine for low load operation control.
コントローラ７０は、ステップＳ３１において負荷に応じた圧縮比εを設定し、ステップＳ３２において負荷に応じた空燃比A/Fを設定し、ステップＳ３３において排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を略ゼロにする。 The controller 70 sets the compression ratio ε corresponding to the load in step S31, sets the air-fuel ratio A / F corresponding to the load in step S32, controls the opening / closing timing of the exhaust valve 61 in step S33, and sets the EGR amount. Set to almost zero.
図８は中負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing a subroutine for medium load operation control.
コントローラ７０は、ステップＳ５１において負荷に応じた圧縮比εを設定し、ステップＳ５２において負荷に応じた空燃比A/Fを設定し、ステップＳ５３において排気弁６１の開閉タイミングを制御して負荷に応じたＥＧＲ量に調整する。 The controller 70 sets the compression ratio ε according to the load in step S51, sets the air-fuel ratio A / F according to the load in step S52, and controls the opening / closing timing of the exhaust valve 61 in step S53 according to the load. Adjust the EGR amount.
図９は高負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing a subroutine for high load operation control.
コントローラ７０は、ステップＳ６１において負荷に応じた圧縮比εを設定し、ステップＳ６２において負荷に応じた空燃比A/Fを設定し、ステップＳ６３において排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を略ゼロにする。 The controller 70 sets the compression ratio ε according to the load in step S61, sets the air-fuel ratio A / F according to the load in step S62, and controls the opening / closing timing of the exhaust valve 61 in step S63 to set the EGR amount. Set to almost zero.
図１０は本発明による制御を実行したときの効果を説明する図である。 FIG. 10 is a diagram for explaining the effect when the control according to the present invention is executed.
コントローラ７０は運転状態を検出し（Ｓ１）、低負荷運転域のときには（Ｓ２でＹｅｓ）、負荷に応じた圧縮比ε（Ｓ３１；図１０（Ｃ））、空燃比A/Fに設定するとともに（Ｓ３２；図１０（Ａ））、ＥＧＲ量を略ゼロにする（Ｓ３３；図１０（Ｂ））。このようにすることでＮＯｘ排出量は略ゼロになる（図１０（Ｄ））。このように負荷が低くなるほど空燃比を希薄にし、燃焼安定性を確保するために圧縮比を上げることで、負荷調整のためのスロットリングが必要なく、ノンスロットル運転が実現でき、ポンプロスを低減できる。 The controller 70 detects the operation state (S1), and when in the low load operation region (Yes in S2), sets the compression ratio ε (S31; FIG. 10C) corresponding to the load and the air-fuel ratio A / F. (S32; FIG. 10 (A)), the EGR amount is made substantially zero (S33; FIG. 10 (B)). By doing so, the NOx emission amount becomes substantially zero (FIG. 10D). By reducing the air-fuel ratio and increasing the compression ratio to ensure combustion stability as the load decreases in this way, throttling for load adjustment is unnecessary, non-throttle operation can be realized, and pump loss can be reduced. .
また中負荷運転域のときには（Ｓ４でＹｅｓ）、負荷に応じた圧縮比εに設定し（Ｓ５１；図１０（Ｃ））、空燃比A/Fをストイキに設定し（Ｓ５２；図１０（Ａ））、負荷に応じてＥＧＲ量を制御する（Ｓ５３；図１０（Ｂ））。この場合にはＮＯｘが排出されるものの、その排出量は多くなく、ＮＯｘトラップ触媒等を使用することなく三元触媒のみでＮＯｘを浄化することができる（図１０（Ｄ））。このようにＥＧＲガスを導入することで、機関スロットル開度が開きポンプロスを低減できる。また、負荷が低いほど圧縮比を上げることで、燃焼安定性を確保できる。また中負荷運転域における圧縮比を、低負荷運転域の圧縮比よりも低く設定してノッキングを防止する。 In the middle load operation range (Yes in S4), the compression ratio ε corresponding to the load is set (S51; FIG. 10C), and the air-fuel ratio A / F is set to stoichiometric (S52; FIG. 10A). )), The EGR amount is controlled in accordance with the load (S53; FIG. 10B). In this case, although NOx is discharged, the amount of discharge is not large, and NOx can be purified with only a three-way catalyst without using a NOx trap catalyst or the like (FIG. 10D). By introducing EGR gas in this way, the engine throttle opening is opened and the pump loss can be reduced. Moreover, combustion stability is securable by raising a compression ratio, so that load is low. Also, knocking is prevented by setting the compression ratio in the medium load operation region to be lower than the compression ratio in the low load operation region.
さらに高負荷運転域のときには（Ｓ４でＮｏ）、負荷に応じた圧縮比ε（Ｓ６１；図１０（Ｃ））、空燃比A/Fに設定し（Ｓ６２；図１０（Ａ））、ＥＧＲ量を略ゼロにする（Ｓ６３；図１０（Ｂ））。この場合にもＮＯｘが排出されるものの、その排出量は多くなく、ＮＯｘトラップ触媒等を使用することなく三元触媒のみでＮＯｘを浄化することができる（図１０（Ｄ））。また高負荷運転域における圧縮比を、中負荷運転域の圧縮比よりもさらに低く設定することでノッキングを防止するとともに負荷を確保している。 Further, in the high-load operation range (No in S4), the compression ratio ε according to the load (S61; FIG. 10C) is set to the air-fuel ratio A / F (S62; FIG. 10A), and the EGR amount Is made substantially zero (S63; FIG. 10B). In this case as well, NOx is discharged, but the amount of discharge is not large, and NOx can be purified with only a three-way catalyst without using a NOx trap catalyst or the like (FIG. 10D). Further, by setting the compression ratio in the high load operation region to be lower than the compression ratio in the medium load operation region, knocking is prevented and a load is secured.
（第２実施形態）
図１１は、本発明による可変圧縮比エンジンの第２実施形態を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a diagram showing a second embodiment of a variable compression ratio engine according to the present invention.
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。 In the following embodiments, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
本実施形態では、低負荷域においては圧縮比を最大圧縮比εmaxに設定し（図１１（Ｃ））、空燃比を最大空燃比（３０程度）に設定するとともに（図１１（Ａ））、負荷に応じてＥＧＲ量を制御する（図１１（Ｂ））。また中負荷域においては圧縮比をε5に設定し（図１１（Ｃ））、空燃比A/Fをストイキに設定するとともに（図１１（Ａ））、負荷に応じてＥＧＲ量を制御する（図１１（Ｂ））。 In the present embodiment, in the low load region, the compression ratio is set to the maximum compression ratio εmax (FIG. 11C), the air-fuel ratio is set to the maximum air-fuel ratio (about 30) (FIG. 11A), The amount of EGR is controlled according to the load (FIG. 11B). In the middle load range, the compression ratio is set to ε5 (FIG. 11C), the air-fuel ratio A / F is set to stoichiometric (FIG. 11A), and the EGR amount is controlled according to the load (FIG. 11A). FIG. 11B).
本実施形態によれば、低負荷域においてスロットリングを行うが、空燃比をλ２以上に希薄にしないので、燃焼安定性を確保しやすく、機関圧縮比を第１実施形態のようにさらに高圧縮比化する必要がない。 According to the present embodiment, throttling is performed in a low load range, but the air-fuel ratio is not diluted to λ2 or more, so that combustion stability is easily ensured, and the engine compression ratio is further increased as in the first embodiment. There is no need to compare.
また、ＥＧＲを導入して燃焼室内の温度を上昇させ希薄燃焼の燃焼安定性を確保するとともに、スロットリングのポンプロスを低減する。 In addition, EGR is introduced to increase the temperature in the combustion chamber to ensure the combustion stability of lean combustion and to reduce the pumping loss of the throttling.
（第３実施形態）
図１２は、本発明による可変圧縮比エンジンの第３実施形態を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a view showing a third embodiment of the variable compression ratio engine according to the present invention.
本実施形態では、第１実施形態と比べてコントロールシャフト２５の制御方向及び大きさを変更してある。すなわち第１実施形態ではコントロールシャフト２５を右回転するほど高圧縮比にしていたが、本実施形態では左回転するほど高圧縮比になる（図１１（Ａ））。また本実施形態のほうがコントロールシャフト２５が大きく、コントロールシャフト２５の中心から連結ピン２４までの距離が長い（図１１（Ａ））。このような寸法にすることで、ピストン挙動をより特徴的に、すなわち上死点付近での挙動を極端に設定することができ、ピストン上昇速度を下降速度よりも遅くすることができる。すなわちＬ３１＜Ｌ３２の度合が大きくなる。 In the present embodiment, the control direction and size of the control shaft 25 are changed as compared with the first embodiment. That is, in the first embodiment, the compression ratio is increased as the control shaft 25 is rotated to the right, but in this embodiment, the compression ratio is increased as the control shaft 25 is rotated to the left (FIG. 11A). In the present embodiment, the control shaft 25 is larger, and the distance from the center of the control shaft 25 to the connecting pin 24 is longer (FIG. 11A). With such dimensions, the piston behavior can be set more characteristically, that is, the behavior in the vicinity of the top dead center can be set extremely, and the piston ascending speed can be made slower than the descending speed. That is, the degree of L31 <L32 increases.
また左回転するほど高圧縮比になるようにしたことで、高圧縮比になるほうがピストン上昇が速くなる。すなわちＬ３１＜Ｌ４１になる。また高圧縮比になるほうがピストン下降が遅くなる。すなわちＬ３２＞Ｌ４２になる。 In addition, the higher the compression ratio is, the faster the piston rises. That is, L31 <L41. Moreover, piston lowering becomes slower as the compression ratio becomes higher. That is, L32> L42.
本実施形態によれば、ピストン速度がこのようになるようにしたので、高圧縮比ではピストンの上昇速度が速く上死点に達するまでの期間が短い。そのためプレイグニッション（自己着火）の防止や、圧縮行程での冷却損失の低減を図ることができる。またピストンの下降が遅いのでピストンの上死点付近滞在時間が長く、燃焼安定性を確保できる。 According to the present embodiment, since the piston speed is set as described above, at a high compression ratio, the period of time until the piston rises quickly and reaches top dead center is short. Therefore, it is possible to prevent pre-ignition (self-ignition) and reduce cooling loss during the compression stroke. Further, since the piston descends slowly, the stay time near the top dead center of the piston is long, and combustion stability can be secured.
一方、低圧縮比ではピストンの下降速度が速いので、燃焼後期のノッキングを防止できる。 On the other hand, since the lowering speed of the piston is high at a low compression ratio, knocking at the late stage of combustion can be prevented.
（第４実施形態）
図１３は、本発明による可変圧縮比エンジンの第４実施形態のピストン構造を示す図であり、図１３（Ａ）は斜視図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図１３（Ｃ）は図１３（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。また図１４はピストン挙動を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a view showing a piston structure of a fourth embodiment of the variable compression ratio engine according to the present invention, FIG. 13 (A) is a perspective view, and FIG. 13 (B) is a view taken along line B- of FIG. 13 (A). It is B sectional drawing, FIG.13 (C) is CC sectional drawing of FIG. 13 (A). FIG. 14 is a diagram showing piston behavior.
可変圧縮比エンジンに図１３に示したピストン３２を使用してもよい。すなわちピストン３２は図１３（Ｃ）に示されているようにピストンスカートが大幅に短縮されている。 The piston 32 shown in FIG. 13 may be used for the variable compression ratio engine. That is, the piston skirt of the piston 32 is greatly shortened as shown in FIG.
このようなピストン３２を使用すれば、図１４に示されているようにカウンターウエイトがピストンピン側方を通過できる。
そのためアッパリンク１１を最小限の長さとして、ピストン３２の下死点位置をクランクシャフト３３に最接近させることで、その分のピストンストロークを拡大することができる。なお、このような構成にするためにはピストンスカート部の強度が課題となるが、図１４（Ｂ）に示すように、複リンク機構の特性を利用し、ピストン３２の上死点位置においてアッパリンク１１が略直立にすることでピストン３２にかかる横方向荷重（スラスト荷重）を低減できる。これにより、ピストンスカート部の強度は確保される。
If such a piston 32 is used, the counterweight can pass the side of the piston pin as shown in FIG.
Therefore, by setting the upper link 11 to the minimum length and bringing the bottom dead center position of the piston 32 closest to the crankshaft 33, the corresponding piston stroke can be expanded. In order to achieve such a configuration, the strength of the piston skirt is an issue, but as shown in FIG. 14B, the upper link is formed at the top dead center position of the piston 32 using the characteristics of the multi-link mechanism. By making the link 11 substantially upright, the lateral load (thrust load) applied to the piston 32 can be reduced. Thereby, the strength of the piston skirt is ensured.
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
例えば、上記実施形態では、排気弁の開閉タイミングによって調整するいわゆる内部ＥＧＲ方式でＥＧＲ量を調整することを例示して説明したが、排気通路を吸気通路とを連通するＥＧＲ通路をＥＧＲ弁で開閉するいわゆる外部ＥＧＲ方式によってＥＧＲ量を調整してもよい。 For example, in the above embodiment, the EGR amount is adjusted by the so-called internal EGR method that is adjusted according to the opening / closing timing of the exhaust valve. However, the EGR passage that communicates the exhaust passage with the intake passage is opened / closed by the EGR valve. The EGR amount may be adjusted by a so-called external EGR method.
１０ 複リンク式可変圧縮比エンジン
１１ アッパリンク（第１リンク）
１２ ロアリンク（第２リンク）
１３ コントロールリンク（第３リンク）
２１ ピストンピン
２２ 連結ピン
２３ 連結ピン
２４ 連結ピン
２５ コントロールシャフト
３２ ピストン
３３ クランクシャフト
４１ 燃料噴射弁
４２ 点火プラグ
５１ アクチュエータ
５２ 回転軸
５３ ピニオン
６１ 排気弁
７０ コントローラ（運転状態制御手段）
10 Multi-link variable compression ratio engine 11 Upper link (first link)
12 Lower link (second link)
13 Control link (3rd link)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Piston pin 22 Connection pin 23 Connection pin 24 Connection pin 25 Control shaft 32 Piston 33 Crankshaft 41 Fuel injection valve 42 Spark plug 51 Actuator 52 Rotating shaft 53 Pinion 61 Exhaust valve 70 Controller (operation state control means)
Claims (18)
前記複数のリンクのうちの少なくともひとつのリンクの動作を規制して前記ピストンの上死点位置を調整して圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、
所定負荷よりも低い低負荷域において、負荷に応じた圧縮比にして希薄空燃比限界を拡大するとともに、その拡大した希薄空燃比限界付近まで混合気の空燃比をリーンにする運転状態制御手段と、
を有する可変圧縮比エンジン。 A piston connected to the crankshaft via a plurality of links;
Compression ratio changing means for regulating the operation of at least one of the plurality of links and adjusting the top dead center position of the piston to change the compression ratio;
An operating state control means for expanding the lean air-fuel ratio limit to a compression ratio corresponding to the load in a low load region lower than a predetermined load, and leaning the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to near the expanded lean air-fuel ratio limit; ,
Having a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means expands the lean air-fuel ratio limit to a compression ratio higher than a compression ratio in a load range higher than the predetermined load in the low load range.
The variable compression ratio engine according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means makes the air-fuel ratio of the air-fuel mixture lean to near the lean air-fuel ratio limit in the low load region, thereby reducing nitrogen oxides exhausted from the engine so that a NOx purification catalyst is unnecessary.
The variable compression ratio engine according to claim 1 or 2, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means makes the air-fuel ratio of the air-fuel mixture lean to near the lean air-fuel ratio limit in the low load region, thereby making the nitrogen oxides discharged from the engine substantially zero,
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to 30 or more in the low load range.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means increases the compression ratio as the load is lower in the low load range, expands the lean air-fuel ratio limit, and makes the air-fuel ratio of the mixture more lean.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means further introduces exhaust gas into the mixture in the low load region,
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means further sets the air-fuel ratio to a substantially stoichiometric air-fuel ratio in a load range higher than the predetermined load, and introduces exhaust gas into the mixture.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 7, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項８に記載の可変圧縮比エンジン。 The operating state control means, the lower the load in the load region higher than the predetermined load, the higher the compression ratio,
The variable compression ratio engine according to claim 8.
前記排ガスは排気弁の早期閉作動によって気筒内に残留した排ガスである、
ことを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 Further having an exhaust valve phase changing means for changing the opening and closing timing of the exhaust valve;
The exhaust gas is exhaust gas remaining in the cylinder by the early closing operation of the exhaust valve,
The variable compression ratio engine according to any one of claims 7 to 9, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
前記排ガスは、前記排ガス還流通路を介して還流された排ガスである、
ことを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 An exhaust gas recirculation passage for recirculating a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage;
The exhaust gas is exhaust gas recirculated through the exhaust gas recirculation passage.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 7 to 9, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The amount of exhaust gas introduced is larger as the load is lower.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 7 to 11, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
前記圧縮比変更手段は、前記第２リンクに連結され、その第２リンクの動作を規制して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The plurality of links are a first link coupled via a piston pin, and a second link pivotably coupled to the first link and rotatably mounted on the crankshaft,
The compression ratio changing means is connected to the second link and regulates the operation of the second link to change the compression ratio.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 12, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 Compared to a normal engine having a piston connected to the crankshaft through a single connecting rod, the staying period near the top dead center of the piston is long.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 13, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 Compared to a normal engine having a piston connected to a crankshaft via a single connecting rod, the stroke characteristics of the piston are characteristics close to simple vibrations.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 14, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The higher the compression ratio, the longer the stay period near top dead center.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 15, wherein the engine is a variable compression ratio engine.
ことを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The time to reach a top dead center after moving a predetermined distance is longer than the time to move a predetermined distance from the top dead center,
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 16, wherein the variable compression ratio engine is provided.
ことを特徴とする請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。 The lower the compression ratio, the longer it takes to move the predetermined distance and reach the top dead center than the time to move the predetermined distance from the top dead center.
The variable compression ratio engine according to any one of claims 1 to 17, wherein the variable compression ratio engine is provided.
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