JPS587816B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃焼室容積を作動流体の充填率に応
じて変化させ、運転条件に応じて作動流体の実質的圧縮
比を最適に制御する内燃機関に関するものであり、火花
点火機関、圧縮着火機関、４サイクル機関、２サイクル
機関、レシプロ機関ロークリ機関等の内燃機関およびそ
れらの組合せの内燃機関に適用するものである。

火花点火式内燃機関においては、燃焼可能な過濃限界、
希薄限界空燃比が存在するための、その負荷を機関に吸
入される空気の充填率によって主として制御する方法が
一般に行なわれてきた（第１図）。

またこの火花点火式内燃機関は一般にその最大出力時の
熱効率を高くしかつノツキングなどの不具合が生じない
ように設計されるために、部分負荷条件たとえばアイド
リングなどの場合には実質的な圧縮圧力が低く（第２図
の実線）なり機関の熱効率が著しく低下する原因の一つ
となっていた。

一方圧縮着火（ディーゼル）式内燃機関においては、作
動空気の充填率は第１図のように負荷によらず一定であ
り、燃料流量によって負荷を制御しているため作動流体
の実質的圧縮圧力は第２図の破線のようになり、火花点
火機関の全負荷条件とほぼ同様の特性となる。

従って圧縮着火機関の燃費率は特に部分負荷条件におい
て第３図に示すように優れた特性を示す。

しかしこれは高負荷条件においては必ずしも維持されず
むしろ火花点火機関の燃費率の方が優れた領域も存在す
る。

しかも圧縮着火機関は作動圧力が高く構造上必然的に重
量が重くなる。

空気利用率が悪いためスモークリミットなどに制約され
排気量当りの馬力が小さい。

一般に機関騒音が大きい。噴射ポンプ、ノズルなどの加
工に精度を要しコストが高く量産効果が少ない。

燃焼機構が噴霧の拡散火炎であるため理論空燃比領域の
混合気の燃焼となりＮＯＸの排出重量が多く、その低減
手法が困難である、などの欠点を有している。

また最近の排気清浄化機関（火花点火式）において例え
ばＮＯＸなどを低減するためＥＧＲ（排気還流）を行な
うさ同一出力を出す場合には燃焼室内に充填される作動
流体はＥＧＲをしない場合に比べて多くなり、従って圧
縮圧力が高くなる。

従って従来のように単純に機関の燃焼圧力により圧縮比
を可変とすることは必ずしも適切でなくノッキングなど
の発生の原因ともなるなどの欠点を有している。

特に可変圧縮比機関の場合低負荷条件でも圧縮比を高め
るためＮＯＸが増大し、ＥＧＲ 率はさらに増える傾向
にある。

本発明の目的は機関運転条件によって作動流俳の充填率
が変化する火花点火式内燃機関において特に燃費の悪い
部分負荷域における圧縮比を高めて作動流体に作用する
実質的圧縮圧力を全負荷条件と同等の値にすることによ
り、燃費率を圧縮着火式内燃機関並に向上するとともに
、機関重量、最大出力、機関騒音、排気放出物などは従
来の火花点火式内燃機関と同等の水準にすることにより
両者の長所を生かし短所をなくした内燃機関を提供する
ことにあり、特に、（実際に機関に吸入される気体の標
準状態に換算した体積）／（機関に吸入される行程容積
に等しい標準状態の空気の体積）×１００（％）と定義
される充填率を、回転数センサと吸入空気流量センサと
ＥＧＲガス流量センサとによって的確に杷握して、常に
最適な圧縮比に制御するようにしたものである。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。

第４図によりこの実施例を説明すると、３０１は吸気管
、３０２は吸入空気を制御する絞弁、３０３は燃焼室、
３０４は燃焼室容積を制御するピストン、３０５はピス
トンの位置を変化させるリンク機構、３０６はリンク機
構を駆動するロツド、３０７は吸入負圧と大気圧の差に
よって作動するシリンダ、３０８はスプール弁、３０９
は吸入空気流量センサー、３１０はＥＧＲ制御弁でかつ
ＥＧＲガス流量センサ、３１１はエンジンの回転数セン
サー、３１２はマイクロプロセッサー等各種の信号を処
理して制御信号を出力する中央演算処理装置、３１３は
該処理装置３１２の制御信号によりリンク機構を作動さ
せるアクチュエータである。

機関がある回転速度と負荷条件で運転される場合それに
必要なＥＧＲが行なわれているとする。

そのときの吸入空気量を吸入空気流量センサ３０９で検
知するとともにＥＧＲ流量をＥＧＲガス流量センサ３１
０で検知しそのときの回転速度を回転数センサ３１１で
検知し、これらの信号を中央演算処理装置に入れ機関に
吸入される作動流体（空気十ＥＧＲガス）の充填率を計
算する。

即ち、例えば４サイクルエンジンの場合、η：充填率（
％） Ａ：空気流量（ｌ／ｍｉｎ）・・・（吸入空気流量セン
サ出力） Ｅ：ＥＧＲガス流量（ｌ／ｍｉｎ）・・・（ＥＧＲガス
流量センサ出力） Ｒ：回転速度（ｒｐｍ）・・・（回転数センサ出力）Ｈ
：行程容積（ｌ） とすると、 ２００（Ａ＋Ｅ） そして、充填率と回転数のテーブルマップに一対一で対
応して、燃焼室容積の制御量を予め設定しておき、回転
速度、充填率、ＥＧＲ率に応じて圧縮比を最適に制御す
る。

あるいは、充填率と回転数とＥＧＲ率を中央演算処理装
置３１２の評価関数に入力して、その条件での最適容積
を計算し、燃焼室容積を制御する。

アイドリングまたは無負荷の状態ではアクセルペダル等
と連動した絞弁３０２は全閉状態で、燃焼室３０３に充
填される作動流体は最も少なくなり、充填率が小さくな
るが、この場合、中央演算処理装置３１２で計算された
充填率に応じアクチュエータ３１３がリンク３１４を介
してスプール弁３０８を図示右方へ動かす。

これにより機関吸入負圧を利用したシリンダ３０７のロ
ツド３０６は図示左方へ移動し、リンク３０５を介しピ
ストン３０４が下方に固定されて燃焼室容積Ｖｃを小さ
くする。

従って、作動流体の充填率が小さくとも、圧縮上死点に
おける圧縮圧力は一般のエンジンの全開条件並に高まり
、そのときの燃焼サイクルも熱効率の高い経過をたどり
燃料消費率が大巾に改善される。

高負荷条件ではこれとは全く反対に絞弁３０２が開かれ
、燃焼室への作動流体の充填率が高まる。

この場合、この充填率に応じアクチュエータ３１３がリ
ンク３１４を介してスプール弁３０８を図示左方へ動か
す。

これによりシリンダ３０７のロツド３０６は図示右方へ
移動し、リンク３０５を介しピストン３０４が上方に固
定されて燃焼室容積Ｖｃを大きくする。

従って、機械的圧縮比は低下するが充填率が高まってい
るため、作動流体に作用する圧縮圧力は正規の状態に保
たれノツキングをおこすことなく熱効率を高大に維持す
るものである。

また負荷がアイドリングと全負荷の中間では、同様にし
て、算出された充填率に最適な圧縮比を設定するように
ピストン３０４が制御され、常に熱高率が高くかつノツ
キングなどもおこさない性能を発揮する。

またＥＧＲを行う場合に、このＥＧＲ量をＥＧＲガス流
量センサ３１０によって直接に検出しているので、ＥＧ
Ｒの有無や大小に拘らず、常に最適の圧縮比になるよう
圧縮比を制御することができる。

尚、リンク機構３０５はシリンダヘッドに燃焼室容積可
動部分がある場合に利用できる制御手段であり油圧源等
も不用でシステムとして簡潔な制御機構である。

また、吸気管負圧は絞弁により負荷を制御する機関にお
いては、必ず存在するため制御用動力として新たに設け
る必要がなく有効な制御動力源である。

ディーゼル機関、火花点火機関のいずれにおいても、機
関への空気の供給を大気圧条件からさらに過給装置を用
いて加圧して供給すれば同一排気量の機関によっても最
大出力は増大し機関の軽量化、小形化もできる利点があ
るがそのときの充填率が増大するためそのままでは実質
的な圧縮比が増大しノツキングが発生する。

それを解決するために機関に供給される作動流体の充填
率を検知しその充填率に応じて圧縮比を変えればノック
の発生を防ぐことができる。

例えば過給をした場合は充填率が上るので圧縮比を下げ
る。

このようにするとオクタン価の高い燃料を使用しないで
よい、などの利点が得られる。

過給装置としては機関直結形の機械式過給機あるいは排
気ターボチャージャなど各種の方式を利用することがで
きる。

火花点火機関にレギュラーガソリンを用いた場合圧縮比
は８〜９付近に設定され全開出力時の充填率は８０％付
近である。

この条件でノツキングの発生がなく熱効率も最も良い条
件であることから圧縮比の上限が決定される。

またアイドリング時の充填率は機関により異なるが２０
〜２５％付近にあり圧縮比の下限が定まる。

燃料の種類により圧縮比の設定範囲は当然のことながら
異なり、ハイオクタン燃料を主として使用する機関にお
いては設定圧縮比は１〜２高めることができる。

一方、低質燃料でオクタン価の低い場合には、全体に圧
縮比は低目に設定することが必要である。

またここでいう充填率は新気およびＥＧＲガス等機関に
吸入される作動流体の総量と行程体積との比についての
値である。

尚、機関燃焼室容積を可変にする可変手段としては、上
記実施例の他、例えばピストンとコンロツドとの距離あ
るいはコンロツド自体の長さを油圧により変化せしめる
ように構成することも可能であり、この場合、一位量が
わずかで圧縮比の大巾な変化が可能となる利点がある。

またシリンダヘッド側には自由に吸排気弁、点火栓、噴
射ノズルなどのレイアウトができ理想的な燃焼室の構造
をとることができる。

以下本発明の効果を列記する。

■ 機関の充填率に応じて圧縮比を制御するため部分負
荷条件の燃費率を全開出力時の燃費率並に向上する。

■ 最大出力時の圧縮比を無理に高く設定しないで広い
運転範囲にわたって燃費率を高くすることができるので
ノツキング、ブリイグニションなどラフな燃焼をおこさ
ず機関騒音の発生が少ない。

■ 圧縮比を相対的に低くすることにより低質燃料を使
用することができ、かつ部分負荷域での燃費が悪くなら
ない。

■ 点火時の圧縮圧力および温度は絞弁全開時と同等と
なるため、アイドリングおよび低負荷域においても希薄
混合気の安定な燃焼が可能であり、燃費の向上とともに
ＣＯ，ＨＣ．ＮＯＸなどの有害排気放出物を低減できる
。

■ 同一の負荷においてもＥＧＲをするとその分だけ作
動流体の充填率が増大するため単なる負荷による圧縮比
の制御方式に比べ充填率に応じて圧縮比を制御する本方
式は圧縮上死点における圧縮圧力を最適に制御すること
ができノツキング等の発生を防ぐことができる。

■ 回転速度を信号に含んでいるために、機関の高速、
低速に拘らず好適な圧縮比にでき、ノツキングを確実に
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は機関負荷と充填率との関係を示す図、第２図は
行程容積と筒内圧力の関係を示す図、第３図は車速と燃
費率との関係を示す図、第４図は本発明の実施例を示す
断面構成図である。 ３０１・・・・・・吸気管、３０２・・・・・・絞弁、
３０４・・・・・・ピストン、３０１・・・・・・シリ
ンダ、３０９・・・・・・吸入空気量センサ、３１０・
・・・・・ＥＧＲガス流量センサ、３１１・・・・・・
エンジン回転数センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関燃焼室容積を可変にする可変手段と、機関回転
   速度を検出する回転数センサと、機関に吸入される作動
   流体の流量を検出する吸入空気流量センサ及びＥＧＲガ
   ス流量センサと、上記回転数センサと吸入空気流量セン
   サとＥＧＲガス流量センサの信号に応じて機関の作動流
   体の充填率を算出して、その充填率に応じた出力信号を
   出力する制御装置と、該出力信号の減少に応じて上記機
   関燃焼室容積を減少させるように上記可変手段を作動さ
   せるアクチュエータとを設けたことを特徴とする可変圧
   縮比内燃機関。