JP2024061550A - A variable compression length four-stroke reciprocating engine with a pipe shutter valve whose rotation phase can be changed. - Google Patents
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Abstract
【課題】4ストロークレシプロエンジンに簡単な仕組みを加えることにより任意のストロークで可変圧縮長動作を可能とし、これにより圧縮行程の上死点における圧縮される空気の量を変更する。【解決手段】吸気ポペットバルブの上流に、クランク軸の1/2の速度で回転し、吸気行程で通気窓の開口角が閉じていく回転パイプシャッターバルブを設けることで吸気の遮断を行うパイプの回転位相を変更する機構により、上死点における開口角を必要な値に設定する。クランク軸が設定した開口角の二倍の角度まで回転した時、同期回転するシャッターバルブは閉じ、空気のシリンダー内への流入は遮断される。これにより同期回転するパイプの位相を変更するだけで4ストロークレシプロエンジンに可変圧縮長動作を行わせることが出来る。【選択図】図2[Problem] By adding a simple mechanism to a four-stroke reciprocating engine, variable compression length operation is possible at any stroke, thereby changing the amount of air compressed at the top dead center of the compression stroke. [Solution] A rotating pipe shutter valve that rotates at half the speed of the crankshaft and closes the opening angle of the air vent during the intake stroke is provided upstream of the intake poppet valve, and the opening angle at the top dead center is set to a required value by a mechanism that changes the rotational phase of the pipe that blocks the intake. When the crankshaft rotates to an angle twice the set opening angle, the shutter valve that rotates synchronously closes, blocking the flow of air into the cylinder. In this way, a four-stroke reciprocating engine can be made to perform variable compression length operation simply by changing the phase of the synchronously rotating pipe. [Selected Figure] Figure 2
Description
4ストロークレシプロおいて可変圧縮長動作を実現する。
これによりスロットルバルブの代わりに負荷の制御を行う。 To realize variable compression length operation in a four-stroke reciprocating engine.
This controls the load instead of the throttle valve.
ピストンが吸気動作をしている途中で吸気ポペットバルブを閉じ、吸気を遮断することで可変圧縮長動作をさせるにが可能なことが知られている。
しかしポペットバルブを開閉するカムは金属でできているためポペットバルブの開閉タイミングを自在に変更することは不可能に近かった。 It is known that variable compression length operation can be achieved by closing the intake poppet valve while the piston is in the intake stroke, thereby blocking the intake air.
However, because the cam that opens and closes the poppet valve is made of metal, it was nearly impossible to freely change the timing at which the poppet valve opened and closed.
一部のエンジンは揺動カムを用いたロストモーション機構により吸気動作の途中で吸気ポペットバルブを閉じることで負荷制御を行うエンジンもあるが殆ど普及していない。Some engines use a lost motion mechanism with a rocking cam to close the intake poppet valve midway through the intake process to control the load, but this is not widely used.
特開2014-005756
上記に揺動カムを使うロストモーション機構の図がある。Patent Publication 2014-005756
Above is a diagram of a lost motion mechanism that uses an oscillating cam.
本発明はできるだけ簡単な仕組みで、吸気の途中で空気の流入の遮断を行うことをで4ストロークレシプロエンジンにおいて可変圧縮長動作を実現するものである。The present invention realizes variable compression length operation in a four-stroke reciprocating engine by cutting off the inflow of air midway through the intake process using as simple a mechanism as possible.
ピストンが吸気動作をしている途中でシリンダー内への吸気を遮断するために、吸気ポペットバルブの上流に別のバルブを設け、そのバルブの開閉で吸気を遮断する構造とした。
直列に配置されたバルブの遮断により、吸気ポペットバルブが開いたた状態でもシリンダー内への空気の供給は遮断されることになる。
遮断するタイミングを変更可能にすることで、可変圧縮長動作を実現する。 In order to cut off the intake of air into the cylinder while the piston is performing its intake movement, a separate valve is provided upstream of the intake poppet valve, and the intake is cut off by opening and closing this valve.
By blocking the valves arranged in series, the supply of air to the cylinder is cut off even when the intake poppet valve is open.
By making it possible to change the timing of blocking, variable compression length operation is achieved.
パイプの空気窓の開口角の二倍とパイプホルダーの開口角の合計が360度を超えない、つまりそれぞれの開口角が120度に近い通気窓を持ち、クランク軸の1/2の回転速度でクランク軸と同期回転するパイプによるシャッターバルブであり、パイプの軸方向から吸い込まれた空気はパイプとパイプホルダーの通気窓の重なりあいで作られる合成通気窓を通り抜け吸気ポペットバルブを通りシリンダー内へ吸入される。
同期回転シャッターバルブと吸気ポペットバルブは直列に配置されているため、どちらか片方でもバルブが閉じていれば吸気は遮断される。The sum of twice the opening angle of the pipe's air window and the opening angle of the pipe holder does not exceed 360 degrees, in other words, each air window has an opening angle of close to 120 degrees, and it is a shutter valve made of a pipe that rotates synchronously with the crankshaft at half the rotational speed of the crankshaft.Air sucked in from the axial direction of the pipe passes through a composite air window created by the overlapping air windows of the pipe and pipe holder, and is sucked into the cylinder through the intake poppet valve.
The synchronously rotating shutter valve and the intake poppet valve are arranged in series, so if either one of the valves is closed, the intake is cut off.
同期回転するパイプとパイプホルダーの両者の窓が重なる時だけ通気が行わえる。ならない時に通気の遮断が行われる。
燃焼により発生する熱と圧力は吸気ポペットバルブが受け持つので同期回転バルブは高温・高圧に晒されることはない。Ventilation is possible only when the windows of the pipe and the pipe holder, which rotate synchronously, overlap. When they do not, ventilation is cut off.
The heat and pressure generated by combustion are borne by the intake poppet valve, so the synchronous rotating valve is not exposed to high temperatures and pressures.
以下、パイプ中心からの窓の開口角とパイプホルダーの開口角は120度とし、ピストンの幾何学的圧縮比を10と仮定して説明する。
パイプはクランク軸からチェーン等で伝えられた回転力を回転軸の位相を変更することのできる機構を通してでクランク軸の1/2の速度で回転するようになっている。
つまり位相変更を行わない限りクランク軸が二回転してピストンが吸気の上死点に来た時、同期回転パイプの通気窓は必ず同じ位置にあることになる。
そして位相変更をした場合はクランクが上死点に来た時のパイプの通気窓の回転位置を変更することが出来る。In the following description, it is assumed that the opening angle of the window from the center of the pipe and the opening angle of the pipe holder are 120 degrees, and the geometric compression ratio of the piston is 10.
The pipe rotates at half the speed of the crankshaft through a mechanism that can change the phase of the rotating shaft, with the torque transmitted from the crankshaft by a chain or the like.
In other words, unless the phase is changed, when the crankshaft rotates twice and the piston reaches the top dead center of the intake, the ventilation hole in the synchronous rotating pipe will always be in the same position.
By changing the phase, it is possible to change the rotational position of the pipe ventilation hole when the crank reaches the top dead center.
これにより上死点におけるパイプの通気窓とパイプホルダーの通気窓により作られる合成通気窓の開口角を任意に設定可能になる。
吸気行程において合成通気窓の開口角はクランク軸が上死点から回転するに従い、クランク軸の半分の角速度で閉ていく動作をする。
上死点における同期回転パイプとパイプホルダーの作る窓の合成開口角を45度とすればクランク軸は90度、90度とすれば180度、120度とすれば240度、クランク軸が上死点から回転しその角度を通過した時点で吸気は遮断される、つまりピストンが吸気の上死点にある時に同期回転パイプの回転位相を変更し合成開口角を変更するだけでピストンが吸気の途中で吸気ポペットバルブが開いていても、任意の位置で吸気の遮断が行われ、連続的に圧縮長の制が出来ることになる。This makes it possible to arbitrarily set the opening angle of the composite ventilation window formed by the ventilation window of the pipe and the ventilation window of the pipe holder at the top dead center.
During the intake stroke, the opening angle of the composite ventilation window closes at half the angular velocity of the crankshaft as the crankshaft rotates from the top dead center.
If the composite opening angle of the window created by the synchronous rotating pipe and pipe holder at top dead center is 45 degrees, then the crankshaft is 90 degrees, if it is 90 degrees it is 180 degrees, and if it is 120 degrees it is 240 degrees, and the intake is cut off at the point when the crankshaft rotates from top dead center and passes that angle.In other words, by simply changing the rotational phase of the synchronous rotating pipe and changing the composite opening angle when the piston is at top dead center of the intake, the intake can be cut off at any position, even if the intake poppet valve is open while the piston is in the middle of the intake, and the compression length can be controlled continuously.
本発明の可変圧縮長構造は主にスロットルバルブの代わりにガソリンエンジンの負荷制御を行うことを主な目的としている。
スロットルバルブを取り去り、代わりに回転シャッターバルブを取り付けシリンダーヘッドの冷却を再設計するだけでエンジン本体に大きな変更を行う必要はなく、高温高圧部分も特別に精密な部分もない。
もちろんパイプの回転や回転位相制御を行う機構は必要だが点火プラグや排気バルブ、燃料噴射に関しては大きな変更は不要である。The main purpose of the variable compression length structure of the present invention is to control the load of a gasoline engine in place of a throttle valve.
By simply removing the throttle valve and replacing it with a rotary shutter valve and redesigning the cooling of the cylinder head, there was no need to make any major changes to the engine itself, and there are no high-temperature, high-pressure parts or particularly precise parts.
Of course, a mechanism to control the rotation and rotation phase of the pipes is necessary, but no major changes are required to the spark plugs, exhaust valves, or fuel injection.
例えばスロットルバルブにより火花点火エンジンを1/2負荷で運転する場合は、ピストンが吸気行程の下死点に到達した時のシリンダー内圧力を1/2気圧になるようにスロットル開度を絞り空気(混合気)流入量を減らす。
下死点におけるシリンダー内にある1/2気圧の空気を上死点で5気圧に圧縮し点火することで1/2負荷の運転を行う。
しかしスロットルバルブによる負荷制御を行う場合、エンジン回転数が低いほどスロットルを閉じ気味にするため、PV線図における損失を示す負圧の面積が増えることになり吸気損失が大きくなりエンジンの熱効率が悪化する欠点があった。For example, when operating a spark ignition engine at half load using a throttle valve, the throttle opening is narrowed to reduce the amount of air (air-fuel mixture) flowing in so that the pressure inside the cylinder when the piston reaches bottom dead center on the intake stroke is 1/2 atmospheric pressure.
The air in the cylinder at 1/2 atmosphere at bottom dead center is compressed to 5 atmospheres at top dead center and ignited, thereby operating at 1/2 load.
However, when load control is performed using the throttle valve, the lower the engine speed, the more the throttle is closed, which has the disadvantage of increasing the area of negative pressure, which indicates loss, on the PV diagram, resulting in increased intake loss and a deterioration in the thermal efficiency of the engine.
可変圧縮長エンジンで1/2負荷の運転をする場合はピストンが吸気行程の半分(ストロークの4/9)くらいまで進んだ時点で同期回転するパイプの通気窓が閉じることにより吸気を遮断する。
その時点でのシリンダー内の圧力はおよそ1気圧であり、ピストンが下死点に到達したときにシリンダー内容積は2倍になり、シリンダー内の圧力はおよそ1/2気圧になる。
それ以降の圧縮行程で同期回転パイプにより吸気を遮断じた地点にピストンが戻って来るまでは、パイプ外周と吸気ポペットバルブの間で作られる空間に残る圧力による僅かな損失を除けば摩擦以外の損失はほとんど発生しない。
その後上死点でシリンダー内の空気をおよそ5気圧に圧縮して点火する。
つまり吸気を早く遮断する低負荷で運転するほど、吸気損失が発生するストロークが減り減り熱効率が上がることになり、スロットルによる負荷制御とは正反対の結果が得られる。
これによりスロットルを使う場合と比較して熱効率が良くなる。When a variable compression length engine is operated at half load, the intake is blocked by closing the air vent in the synchronously rotating pipe when the piston has progressed halfway through its intake stroke (4/9 of the stroke).
At that point, the pressure inside the cylinder is approximately 1 atmosphere, and when the piston reaches bottom dead center, the volume inside the cylinder doubles and the pressure inside the cylinder becomes approximately 1/2 atmosphere.
During the compression stroke thereafter, until the piston returns to the point where the intake air was blocked by the synchronous rotating pipe, almost no loss other than that due to friction occurs, except for a small loss due to the pressure remaining in the space between the outer periphery of the pipe and the intake poppet valve.
Then, at top dead center, the air in the cylinder is compressed to approximately 5 atmospheres and ignited.
In other words, the earlier the intake is cut off and the lower the load is operated, the fewer the strokes that cause intake losses and the higher the thermal efficiency becomes, which is the opposite of load control using the throttle.
This results in better thermal efficiency compared to using the throttle.
スロットルを使うエンジンの場合は吸気ポペットバルブはピストンが下死点をかなり過ぎてから閉じるように設計されている、
これは高速回転で全負荷運転する場合、スロットルが全開であっもピストンが下死点に到達しても吸気路の抵抗などでシリンダー内圧力は1気圧より低く、ピストンが下死点を過ぎて圧縮行程に入ってもシリンダー内が1気圧に達っするまで吸気バルブを開けておくことでシリンダー内へ空気を流入させ、より多くの空気をシリンダー内に吸い込むたことでエンジンの最大出力を向上させるためである。
しかし逆に低回転域においてはせっかく吸い込んだ空気を圧縮行程でピストンが押し出してしまい圧縮される空気量が減少し、それだけトルクが減ることになる。
これをを防ぐために可変吸気バルブタイミング機構で吸気ポペットバルブ駆動カムの軸の位相を変える方法があるが、コストと重量が増えバルブオーバーラップが変化する欠点がある。
本考案のエンジン負荷制御を行う場合は、エンジン回転数に応じてシャッターパイプの回転軸の位相を変更することで、可変シャッターバルブの閉じる位置を最適値にすることが可能となり、常にその回転数における吸気量の最大化を可能にする。In engines that use a throttle, the intake poppet valve is designed to close when the piston has passed bottom dead center.
This is because when operating at high speed and full load, even if the throttle is fully open and the piston reaches bottom dead center, the pressure inside the cylinder is lower than 1 atmosphere due to resistance in the intake passage, and by keeping the intake valve open until the pressure inside the cylinder reaches 1 atmosphere even after the piston has passed bottom dead center and entered the compression stroke, air is allowed to flow into the cylinder, and by sucking in more air into the cylinder, the maximum output of the engine is improved.
However, on the other hand, at low revolution ranges, the piston pushes out the air that it has just sucked in during the compression stroke, reducing the amount of air compressed and resulting in a reduction in torque.
To prevent this, one method is to use a variable intake valve timing mechanism to change the phase of the intake poppet valve drive cam shaft, but this has the disadvantages of increasing cost and weight and changing the valve overlap.
When performing the engine load control of this invention, by changing the phase of the rotating shaft of the shutter pipe according to the engine speed, it is possible to optimize the closing position of the variable shutter valve, thereby always maximizing the intake volume at that speed.
レシプロエンジンにおいてノッキングの発生は禁物であり、特に過給エンジンでは高過給運転時に圧縮加熱でに加え高温になったシリンダーにより混合気の温度が上がりすぎノッキングが発生しやすくなる、
それを防ぐためにあらかじめピストンによる圧縮比を下げる設計をすることがあり、そのため過給エンジンでは自然吸気エンジンに比べ膨張比が小さくなり熱効率が低下しやすい傾向がある。
可変圧縮長エンジンではインタークーラー出口温度センサーやノックセンサーなどでノッキングの兆候を感知した場合、圧縮長を短くすることでピストンによる圧縮加熱を減らすことでノッキングは起きなくなる。
圧縮長を短くするとそれだけ出力が減るが、吸気損失は増えないのでノッキングの発生に比べれば大きな問題ではない。Knocking is a big no-no in reciprocating engines. Especially in supercharged engines, the temperature of the mixture rises too high due to compression heating and high temperature in the cylinders during high-boost operation, making knocking more likely to occur.
To prevent this, the pistons are sometimes designed to have a lower compression ratio in advance, which means that supercharged engines tend to have a smaller expansion ratio and lower thermal efficiency than naturally aspirated engines.
In a variable compression length engine, if signs of knocking are detected by an intercooler outlet temperature sensor or a knock sensor, the compression length is shortened to reduce compression heating by the piston, thereby preventing knocking.
Shortening the compression length reduces power output, but it does not increase intake loss, so this is not a major problem compared to the occurrence of knocking.
また圧縮長を可変することで、これまで不可能とされていたHCCIエンジンにおいて着火タイミングの自在な制御ができる可能性もある。Furthermore, by varying the compression length, it may be possible to freely control the ignition timing in HCCI engines, something that was previously impossible.
またディーゼルエンジンにおいては高過給時に圧縮過熱温度が高くなりすぎる場合は燃焼温度が上がりすぎるためNOXの発生が多くなるが、ピストンの圧縮長を減らすことで燃焼温度を下げ、NOXの発生を減らすことが可能になる。
この場合でも熱効率を悪化させる膨張比は変わらないので熱効率は落ちない。
逆にピストンの圧縮長を長くすることで低温環境下での始動性も向上する。In addition, in diesel engines, if the compression superheat temperature becomes too high during high turbocharging, the combustion temperature will rise too much and increase the generation of NOx. However, by reducing the compression length of the piston, the combustion temperature can be lowered and the generation of NOx can be reduced.
Even in this case, the expansion ratio that deteriorates the thermal efficiency remains unchanged, so the thermal efficiency does not decrease.
Conversely, increasing the compression length of the piston also improves starting performance in low temperature environments.
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