火花點火式內燃機的製作方法

2023-06-03 01:18:01 3

專利名稱：火花點火式內燃機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種火花點火式內燃機。
背景技術：
公知一種火花點火式內燃機，其具備可改變機械壓縮比的可變壓縮比機構和能夠控制進氣閥的閉閥時刻的可變氣門正時機構，且隨著內燃機負載的降低而使機械壓縮比增大並將進氣閥的閉閥時刻延遲(例如參照專利文獻1)。在這種內燃機中，在不產生爆燃的範圍內儘可能地提高了實際壓縮比，且由此提高了熱效率。專利文獻專利文獻1 日本特開2007-30；3423號

發明內容
發明所要解決的課題然而，在這種內燃機中，關於在內燃機啟動時這種內燃機溫度較低時、或處於冬季這種進氣溫度較低時提高熱效率這方面，未進行任何考慮。本發明的目的在於，提供一種能夠在內燃機溫度較低時或進氣溫度較低時提高熱效率的火花點火式內燃機。用於解決課題的方法根據本發明，提供一種火花點火式內燃機，其包括能夠改變機械壓縮比的可變壓縮比機構、和能夠對進氣閥的閉閥時刻進行控制的可變氣門正時機構，內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下的實際壓縮比和點火時刻分別作為與內燃機的運轉狀態相對應的基準實際壓縮比和基準點火時刻而被預先儲存，在代表內燃機溫度的溫度低於標準狀態下的溫度、或進氣溫度低於標準狀態下的進氣溫度時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與基準實際壓縮比相比而增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與基準點火時刻相比而提前。發明的效果在代表內燃機溫度的溫度低於標準狀態下的溫度、或進氣溫度低於標準狀態下的進氣溫度時，能夠在不產生爆燃的條件下提高熱效率。


圖1為火花點火式內燃機的整體圖。圖2為可變壓縮比機構的分解立體圖。圖3為以圖解方式表示的內燃機的側剖視4為表示可變氣門正時機構的圖。圖5為表示進氣閥以及排氣閥的升程量的圖。圖6為用於對機械壓縮比、實際壓縮比以及膨脹比進行說明的圖。圖7為表示理論熱效率與膨脹比之間的關係的圖。
圖8為用於對普通循環和超高膨脹比循環進行說明的圖。圖9為表示與要求扭矩相對應的機械壓縮比等的變化的圖。
圖10為表示進氣閥的目標閉閥時刻IC等的映像的圖。圖11為表示內燃機的產生扭矩與點火時刻的關係等的圖。圖12為用於說明實際壓縮比的變化量AAC和點火時刻的變化量AIG以及熱效率之間的關係的圖。圖13為表示基準實際壓縮比AC等的映像的圖。圖14為用於說明實際壓縮比和點火時刻的控制的圖。圖15為用於說明實際壓縮比和點火時刻的控制的圖。圖16為用於實施運轉控制的流程圖。圖17為用於實施運轉控制的流程圖。
具體實施例方式圖1表示火花點火式內燃機的側剖視圖。參照圖1，其中，1表示曲軸箱，2表示氣缸體，3表示氣缸蓋，4表示活塞，5表示燃燒室，6表示設置在燃燒室5頂面中央部的火花塞，7表示進氣閥，8表示進氣口，9表示排氣閥，10表示排氣口。進氣口 8通過進氣支管11而與浪湧調整槽12相連接，在各進氣支管 11上，配置有用於朝向各自所對應的進氣口 8內噴射燃料的燃料噴射閥13。並且，也可以取代將燃料噴射閥13配置在各進氣支管11上的方式，而將其配置在燃燒室5內。浪湧調整槽12通過進氣管14而與空氣濾清器15相連接，在進氣管14內設置有， 通過作動器16而被驅動的節氣門17、和例如使用了熱線的進氣量檢測器18。另一方面，排氣口 10通過排氣歧管19而與例如內置有三元催化劑的催化劑轉換器20相連接，在排氣歧管19內設置有空燃比傳感器21。另外，如圖1所示，在氣缸體2上安裝有用於檢測內燃機冷卻水溫度的溫度傳感器22，在浪湧調整槽12上安裝有用於檢測進氣溫度的溫度傳感器 23，在催化劑轉換器20上安裝有用於檢測三元催化劑的溫度的溫度傳感器M。另一方面，在圖1所示的實施例中，在曲軸箱1與氣缸體2的連接部處設置有可變壓縮比機構A，所述可變壓縮比機構A通過改變曲軸箱1與氣缸體2在氣缸軸線方向上的相對位置，從而能夠改變在活塞4位於壓縮上止點時的燃燒室5的容積，並且還設置有能夠改變實際壓縮作用的開始時刻的實際壓縮作用開始時刻變更機構B。並且，在圖1所示的實施例中，該實際壓縮作用開始時刻變更機構B由能夠控制進氣閥7的閉閥時刻的可變氣門正時機構構成。電控單元30由數字式計算機構成，其具備通過雙向總線31而被相互連接在一起的R0M(只讀存儲器)32、RAM(隨機存取存儲器)33、CPU (微處理器)34、輸入埠 35以及輸出埠 36。進氣量檢測器18、空燃比傳感器21和各個溫度傳感器22、23、M的輸出信號通過各自所對應的AD轉換器37而被輸入至輸入埠 35。此外，在加速踏板40上連接有負載傳感器41，此負載傳感器41用於產生與加速踏板40的踏入量L成比例的輸出電壓，負載傳感器41的輸出電壓經由所對應的AD轉換器37而被輸入至輸入埠 35。而且，在輸入埠 35處連接有曲軸轉角傳感器42，所述曲軸轉角傳感器42在曲軸每旋轉例如30°時產生輸出脈衝。另一方面，輸出埠 36經由對應的驅動電路38而與火花塞6、燃料噴射閥13、節氣門驅動用作動器16、可變壓縮比機構A以及可變氣門正時機構B相連接。圖2表示圖1所示的可變壓縮比機構A的分解立體圖，圖3表示以圖解的方式圖示的內燃機的側剖視圖。參照圖2，在氣缸體2的兩側壁的下方形成有相互隔開間隔的多個突出部50，在各突出部50內分別形成有截面呈圓形的凸輪插入孔51。另一方面，在曲軸箱 1的上壁面上形成有，以相互隔開間隔的方式而被嵌入各自所對應的突出部50之間的多個突出部52，在這些突出部52內也分別形成有截面呈圓形的凸輪插入孔53。以圖2所示的方式設置有一對凸輪軸M、55，在各個凸輪軸M、55上，以相互隔開一個的方式而固定有可旋轉地插入各個凸輪插入孔51內的圓形凸輪56。這些圓形凸輪56 與凸輪軸M、55的旋轉軸線構成同軸。另一方面，如圖3中的剖面線所示，在各個圓形凸輪 56之間延伸有相對於各凸輪軸M、55的旋轉軸線而被偏心配置的偏心軸57，在該偏心軸57 上，以偏心且可旋轉的方式安裝有另外的圓形凸輪58。如圖2所示，這些圓形凸輪58被配置在各圓形凸輪56之間，這些圓形凸輪58可旋轉地插入對應的各凸輪插入孔53內。當從圖3㈧所示的狀態起，使固定在各凸輪軸M、55上的圓形凸輪56如圖3㈧ 中實線箭頭所示向互為相反的方向旋轉時，由於偏心軸57向下方中央移動，因而圓形凸輪 58將在凸輪插入孔53內如圖3 (A)中虛線箭頭所示向與圓形凸輪56相反的方向旋轉，從而如圖3 (B)所示，在偏心軸57移動到下方中央處時，圓形凸輪58的中心向偏心軸57的下方移動。對圖3㈧和圖3(B)進行比較可知，曲軸箱1與氣缸體2之間的相對位置由圓形凸輪56的中心與圓形凸輪58的中心之間的距離來決定，圓形凸輪56的中心與圓形凸輪58 的中心之間的距離越大，氣缸體2越遠離曲軸箱1。當氣缸體2遠離曲軸箱1時，活塞4位於壓縮上止點時的燃燒室5的容積將增大，因此，能夠通過使各凸輪軸M、55旋轉，從而改變活塞4位於壓縮上止點時的燃燒室5的容積。如圖2所示，為了使各凸輪軸M、55分別向相反方向旋轉，從而在驅動電機59的旋轉軸上安裝有各自的螺旋方向相反的一對蝸輪61、62，與這些蝸輪61、62嚙合的齒輪63、 64分別被固定在各個凸輪軸M、55的端部。在該實施例中，通過對驅動電機59進行驅動， 從而能夠在較廣範圍內對活塞4位於壓縮上止點時的燃燒室5的容積進行變更。並且，圖 1至圖3所示的可變壓縮比機構A是一個示例，可以使用任何形式的可變壓縮比機構。另一方面，圖4圖示了在圖1中被安裝在用於對進氣閥7進行驅動的凸輪軸70端部上的可變氣門正時機構B。參照圖4，該可變氣門正時機構B包括正時帶輪71，其利用內燃機的曲軸，並通過正時帶而向箭頭方向旋轉；圓筒狀外殼72，其與正時帶輪71 一起旋轉；旋轉軸73，其能夠與進氣閥驅動用凸輪軸70 —起旋轉、且相對於圓筒狀外殼72而進行相對旋轉；多個隔壁74，其從圓筒狀外殼72的內周面起延伸到旋轉軸73的外周面為止；葉片75，其在各隔壁74之間從旋轉軸73的外周面起延伸到圓筒狀外殼72的內周面為止，並且，在各葉片75的兩側分別形成有提前角用油壓室76和滯后角用油壓室77。向各油壓室76、77供給的工作油的供給控制通過工作油供給控制閥78來實施。該工作油供給控制閥78包括分別與各油壓室76、77相連接的油壓口 79、80 ；從液壓泵81噴出的工作油的供給口 82 ；—對排放口 83、84 ；滑閥85，其在各個口 79、80、82、83、84之間進行連通切斷控制。在應當使進氣閥驅動用凸輪軸70的凸輪的相位提前時，在圖4中使滑閥85向右側移動，從而使由供給口 82供給的工作油通過油壓口 79而被供給至提前角用油壓室76，並且使滯后角用油壓室77內的工作油從排放口 84被排出。此時，使旋轉軸73相對於圓筒狀外殼72而向箭頭方向進行相對旋轉。相對於此，在應當使進氣閥驅動用凸輪軸70的凸輪的相位滯後時，在圖4中使滑閥85向左側移動，從而使由供給口 82供給的工作油通過液壓口 80而被供給至滯后角油壓室77，並使提前角用油壓室76內的工作油從排放口 83被排出。此時，使旋轉軸73相對於圓筒狀外殼72而向箭頭的相反方向進行相對旋轉。在使旋轉軸73相對於圓筒狀外殼72而進行相對旋轉時，如果滑閥85回到圖4所示的中立位置，則旋轉軸73的相對旋轉動作將被停止，從而旋轉軸73將被保持在當時的相對旋轉位置處。因此，通過可變氣門正時機構B，能夠使進氣閥驅動用凸輪軸70的凸輪的相位以所需的量而進行提前，並以所需的量而進行滯後。在圖5中，實線表示通過可變氣門正時機構B而使進氣閥驅動凸輪軸70的凸輪的相位最大程度地提前時的情形，虛線表示使進氣閥驅動凸輪軸70的相位最大程度地滯後時的情形。因此，進氣閥7的開閥期間能夠在圖5中的實線所示的範圍和虛線所示的範圍之間任意地進行設定，因此進氣閥7的閉合時刻也可以設定為，在圖5中箭頭C所示範圍內的任意的曲軸轉角。圖1與圖4所示的可變氣門正時機構B表示一個示例，還可以使用各種形式的可變氣門正時機構，例如可以使用，能夠在將進氣閥的開閥時刻維持固定的條件下只改變進氣閥的閉閥時刻的可變氣門正時機構等。接下來，參照圖6對本申請中所使用的術語的含義進行說明。並且，為了進行說明，在圖6的(A)、(B)、(C)中圖示了燃燒室容積為50ml、且活塞行程容積為500ml的發動機，在上述圖6的(A)、(B)、(C)中，燃燒室容積表示，活塞位於壓縮上止點時的燃燒室的容積。圖6㈧對機械壓縮比進行了說明。機械壓縮比為，僅根據壓縮行程時的活塞的行程容積與燃燒室容積而機械性地確定的值，該機械壓縮比用(燃燒室容積+行程容積)/燃燒室容積來表示。在圖6(A)所示的示例中，此機械壓縮比為(50ml+500ml)/50ml = 11。圖6(B)對實際壓縮比進行了說明。該實際壓縮比為，根據實際情況下從壓縮作用被開始時起至活塞到達上止點為止的實際的活塞行程容積與燃燒室容積而確定的值，該實際壓縮比用(燃燒室容積+實際的行程容積)/燃燒室容積來表示。即，如圖6(B)所示，在壓縮行程中，即使活塞開始上升，但在進氣閥打開的期間也不會發揮壓縮作用，而是從進氣閥閉閥時起，開始發揮實際的壓縮作用。因此，實際壓縮比利用實際的行程容積而被表示為上述形式。在圖6(B)所示的示例中，實際壓縮比為(50ml+450ml)/50ml = 10。圖6(C)對膨脹比進行了說明。膨脹比為，根據膨脹行程時的活塞的行程容積與燃燒室容積而確定的值，該膨脹比用(燃燒室容積+行程容積)/燃燒室容積來表示。在圖 6(C)所示的示例中，該膨脹比為(50ml+500ml)/50ml = 11。接下來，參照圖7和圖8對本發明中所使用的超高膨脹比循環進行說明。另外，圖 7圖示了理論熱效率與膨脹比之間的關係，圖8圖示了在本發明中按照負載而被區分使用的、普通的循環和超高膨脹比循環之間的比較。圖8(A)圖示了普通循環，即，進氣閥在下止點附近閉閥，且從大致進氣下止點附
6近起使活塞的壓縮作用開始發揮的情況下的循環。在該圖8(A)所示的示例中，也與圖 6(A)、(B)、(C)所示的示例同樣，設定燃燒室容積為50ml，且設定活塞的行程容積為500ml。 從圖8(A)中可知，在普通循環中，機械壓縮比為(50ml+500ml)/50ml = 11，實際壓縮比也大致為11，膨脹比也為(50ml+500ml)/50ml = 11。即，在普通內燃機中，機械壓縮比與實際壓縮比以及膨脹比大致相等。圖7中的實線圖示了，實際壓縮比與膨脹比大致相等時的理論熱效率的變化、即普通循環中的理論熱效率的變化。已知在此情況下，膨脹比越大、即實際壓縮比越高，則理論熱效率越高。因此，在普通循環中，欲提高理論熱效率，只需提高實際壓縮比即可。然而， 由於受到內燃機高負載運轉時會發生爆燃的制約，從而實際壓縮比最大也只能升高到12 左右，因此在普通循環中無法充分地提高理論熱效率。另一方面，對在此情況下在嚴格地區分機械壓縮比與實際壓縮比的同時提高理論熱效率進行了研究，其結果發現，理論熱效率由膨脹比支配，而實際壓縮比不會對理論熱效率造成像膨脹比這麼大的影響。即，雖然當提高實際壓縮比時爆發力會增加，但是為進行壓縮而需要大量的能量，如此即使提高實際壓縮比，理論熱效率也並不太會提高。相對於此，當增大膨脹比時，在膨脹行程時下壓力對活塞作用的期間變長，如此， 活塞對曲軸施加扭矩的期間變長。因此，膨脹比越大則理論熱效率越高。圖7中的虛線ε =10圖示了，在將實際壓縮比固定為10的狀態下提高了膨脹比時的理論熱效率。可以看出，在以此方式將實際壓縮比維持在較低值的狀態下提高了膨脹比時的、理論熱效率的提高量，與圖7中的實線所示的這種實際壓縮比也與膨脹比一起被增大時的、理論熱效率的提高量相比，不存在較大差別。當以此方式而將實際壓縮比維持在較低值時，不會發生爆燃，因此如果在將實際壓縮比維持在較低值的狀態下提高膨脹比，則能夠在阻止爆燃的發生的同時大幅度地提高理論熱效率。圖8(B)圖示了，使用可變壓縮比機構A以及可變氣門正時機構B而將實際壓縮比維持在低值的同時提高膨脹比的情況的一個示例。參照圖8 (B)，在該示例中，通過可變壓縮比機構A而使燃燒室容積從50ml減少到 20ml。另一方面，通過可變氣門正時機構B而使進氣閥的閉閥時刻滯後，直至實際的活塞行程容積從500ml變為200ml。其結果為，在該示例中，實際壓縮比為(20ml+200ml)/20ml = 11，膨脹比為(20ml+500ml)/20ml = 26。在圖8(A)所示的普通循環中，如上文所述，實際壓縮比約為11，膨脹比為11，與此情況相比，在圖8(B)所示的情況下，可以看出只有膨脹比被提高到了沈。這就是被稱為超高膨脹比循環的原因。—般而言，在內燃機中，內燃機負載越低則熱效率越差，因此為了提高內燃機運轉時的熱效率、即改善耗油率，需要提高內燃機負載較低時的熱效率。另一方面，在圖8(B)所示超高膨脹比循環中，由於壓縮行程時的實際的活塞行程容積被設定得較小，因而燃燒室5 內能夠吸入的進氣量較少，因此該超高膨脹比循環只能夠在內燃機負載比較低時採用。因此，在本發明的實施例中設定為，在內燃機負載較低時，採用圖8(B)所示的超高膨脹比循環，在內燃機高負載運轉時，採用圖8(A)所示的普通循環。接下來，參照圖9，對內燃機預熱結束後的運轉控制整體進行簡要說明。在圖9中圖示了內燃機預熱完成後的、與內燃機轉數為某轉數時的內燃機要求扭矩相對應的進氣量、進氣閥閉閥時刻、機械壓縮比、膨脹比、實際壓縮比以及節氣門17開度的各自的變化。並且，圖9圖示了如下情況，S卩，根據空燃比傳感器21的輸出信號而將燃燒室5內的平均空燃比反饋控制為理論空燃比，以便能夠通過催化劑轉換器20內的三元催化劑而使廢氣中的未燃燒HC、CO以及NOx同時減少。另外，如上所述，在內燃機高負載運轉時，也就是要求扭矩TQ較高時，執行圖8(A) 所示的普通循環。因此，如圖9所示，由於此時機械壓縮比較低，因此膨脹比較低，從而如圖 9中的實線所示，進氣閥7的閉閥時刻以圖5中的實線所示的方式而被提前。另外，此時進氣量較大，且此時節氣門17的開度被保持為全開狀態。另一方面，如圖9中實線所示，當內燃機的要求扭矩TQ降低時，為了使進氣量隨之減少，而將進氣閥7的閉閥時刻延遲。而且在此時，機械壓縮比隨著內燃機的要求扭矩TQ 的降低而增大，以使實際壓縮比隨著內燃機的要求扭矩TQ的降低而逐漸增大。因此，此時膨脹比也隨著內燃機的要求扭矩TQ的降低而增大。並且此時節氣門17也被保持為全開的狀態，因此，被供給至燃燒室5內的進氣量不取決於節氣門17，而通過改變進氣閥7的閉閥時刻來進行控制。當內燃機的要求扭矩TQ進一步降低時，機械壓縮比將被進一步增大，當內燃機的要求扭矩TQ降低至靠近低負載的扭矩TX時，機械壓縮比將被設定為最大機械壓縮比。在要求扭矩TQ與機械壓縮比被設定為最大機械壓縮比時的扭矩TX相比更低的區域中，機械壓縮比被保持為最大機械壓縮比。因此在內燃機低負載運轉時，機械壓縮比達到最大，膨脹比也達到最大。另一方面，在圖9所示的實施例中，當內燃機的要求扭矩TQ降到TX時，進氣閥7 的閉閥時刻將成為能夠對供給至燃燒室5內的進氣量進行控制的極限閉閥時刻。當進氣閥 7的閉閥時刻到達極限閉閥時刻時，在內燃機的要求扭矩TQ與進氣閥7的閉閥時刻已到達極限閉閥時刻時的扭矩TX相比更低的區域中，進氣閥7的閉閥時刻將被保持為極限閉閥時刻。當進氣閥7的閉閥時刻被保持為極限閉閥時刻時，已經無法通過進氣閥7的閉閥時刻的變化來控制進氣量。在圖9所示的實施例中，此時，即在內燃機的要求扭矩TQ與進氣閥7的閉閥時刻已達到極限閉閥時刻時的扭矩TX相比更低的區域中，通過節氣門17來控制被供給至燃燒室5內的進氣量，內燃機的要求扭矩TQ越低，則節氣門17的開度被設定得越小。另一方面，通過以圖9中虛線所示的方式，隨著內燃機的要求扭矩TQ降低，而將進氣閥7的閉閥時刻提前，從而也能夠在不通過節氣門17的情況下控制進氣量。因此，如果以能夠將圖9中實線所示的情況和虛線所示的情況均包含在內的方式來表述，則表述為， 在本發明的實施例中，進氣閥7的閉閥時刻隨著內燃機的要求扭矩TQ的降低，而向遠離進氣下止點BDC的方向移動，直至能夠對被供給到燃燒室內的進氣量進行控制的極限閉閥時刻TX為止。另外，如前文所述，在圖8 (B)所示的超高膨脹比循環中，膨脹比被設定為沈。雖然該膨脹比越高越理想，但從圖7中可以看出，即使對於實際上可以使用的下限實際壓縮比 ε =5而言，只要膨脹比為20以上即可得到相當高的理論熱效率。因此，在本發明的實施例中，以使膨脹比達到20以上的方式而形成了可變壓縮比機構Α。如上所述，在本發明的實施例中，供給到燃燒室5內的進氣量基本上通過控制進氣閥7的閉閥時刻而進行控制，僅在低負載運轉時，進氣量被節氣門17控制。此時，在本發明的實施例中，獲得滿足要求扭矩TQ的進氣量所必需的進氣閥7的目標閉閥時刻IC，作為內燃機的要求扭矩TQ和內燃機的轉數N的函數而以圖10(A)所示的映像形式被預先存儲在R0M32內。此外，節氣門17的目標開度θ也作為內燃機的要求扭矩TQ和內燃機的轉數 N的函數而以圖10(B)所示的映像形式被預先存儲在R0M32內。另一方面，圖11 (A)圖示了內燃機的要求扭矩TQ為某個要求扭矩時的內燃機產生扭矩與點火時刻之間的關係。並且，在圖Il(A)中，橫軸表示以MBT(Minimum advance for Best Torque:最大扭矩的最小點火提前角)為基準的曲軸轉角。即，在圖11 (A)中，橫軸的-15°表示點火時刻相對於MBT的滯后角量為15°。另一方面，圖Il(B)表示點火時刻相對於MBT的滯后角量Δ IG與內燃機轉數之間的關係。從圖Il(A)中可知，在點火時刻被設定為MBT時，能夠獲得最大的產生扭矩，因此， 優選將點火時刻設定為ΜΒΤ。然而由於在內燃機低迴轉時，在燃燒室5內產生的紊亂很小， 所以著火火焰的傳播速度遲緩，當此時將點火時刻設定為MBT時，則伴隨著燃燒室5內的壓力升高，燃燒室5周邊部的未燃燒的氣體將自燃，從而產生爆燃。因此，在內燃機低迴轉時， 不能將點火時刻設定為ΜΒΤ，此時，必須使點火時刻相對於MBT而滯後，以避免產生爆燃。相對於此，由於在內燃機高迴轉時，在燃燒室5內將產生強烈的紊亂，所以即使點火時刻為MBT也不會產生爆燃，因此在內燃機迴轉時，將點火時刻設定為ΜΒΤ。因此如圖 11⑶所示，隨著內燃機轉數降低，使點火時刻相對於MBT的滯后角量AIG增大。並且，從圖11㈧中可知，當使相對於MBT的滯后角量Δ IG增大時，內燃機的產生扭矩將降低。因此，當提高實際壓縮比時，容易產生爆燃，且當將點火時刻提前時，容易產生爆燃。因此在提高實際壓縮比時，如果使點火時刻滯後，則能夠阻止爆燃的發生，相反在提前了點火時刻時，如果降低實際壓縮比，則能夠阻止爆燃的發生。圖12㈧圖示了能夠阻止爆燃的發生的、實際壓縮比的變化量AAC與點火時刻的變化量AIG之間的關係。從圖12㈧可知，如果隨著實際壓縮比的變化量AAC的增大而使點火時刻的滯後量Δ IG增大，則能夠阻止爆燃的發生，如果隨著點火時刻的提前量AIG的增大而使實際壓縮比的減少量AAC增大，則能夠阻止爆燃的發生。並且，圖12(A)圖示了圖1所示內燃機的AAC與Δ IG之間的關係，在圖1所示的內燃機中，存在AAC Δ IG = 1 6的關係。另一方面，圖12(B)圖示了圖1所示內燃機的熱效率與點火時刻的變化量Δ IG之間的關係，圖12(C)圖示了圖1所示內燃機的熱效率與實際壓縮比的變化量AAC之間的關係。從圖12(B)中可知，當點火時刻相對於MBT的滯后角量AIG增大時，熱效率的減少量將逐漸增大。相對於此，從圖12(C)可知，當實際壓縮比增大時，熱效率將單調增大。另一方面，圖12(B)和12(C)中圖示了如下情況下的熱效率的變化，即當點火時刻為MBT時，按照AACl AIGl = I 6的關係來使實際壓縮比和點火時刻發生變化的情況；以及當點火時刻相對於MBT而滯後15°時，按照AAC2 Δ IG2 = 1 6的關係來使點火時刻和實際壓縮比發生變化的情況。如上所述，在內燃機高迴轉時，將點火時刻設定為ΜΒΤ。從圖12⑶可知，即使點火時刻在MBT附近發生少許變化，熱效率也不會發生較大變化，因此，使實際壓縮比增大了 AACl時的熱效率的增大量F1，大於使點火時刻相對於MBT而滯後了 AIGl時的熱效率的減少量Ε1。因此，在內燃機高迴轉時，通過使實際壓縮比增大並使點火時刻滯後，從而能夠在阻止爆燃發生的同時，使熱效率提高。此時，存在下述實際壓縮比和點火時刻，即因增大實際壓縮比而導致的熱效率的增大量Fl與因滯後點火時刻而導致的熱效率的減少量El之間的差(Fl-El)達到最大的、 實際壓縮比和點火時刻，在內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下，上述的差(Fl-El)達到最大時的實際壓縮比和點火時刻、即能夠獲得最大熱效率的實際壓縮比和點火時刻被設定為，內燃機高迴轉時的基準實際壓縮比和基準點火時刻。並且，預定的標準狀態是指，例如大氣壓為標準大氣壓(0. IMPa)，大氣溫度、即進氣溫度為20°C時的狀態。另一方面，如上所述，在內燃機低迴轉時，點火時刻相對於MBT而大幅度滯後，此時從圖12(B)可知，當點火時刻變化時，熱效率將大幅變化，因此，使點火時刻提前了 AIG2 時的熱效率的增加量E2，大於使實際壓縮比降低了 AAC2時的熱效率的減少量F2，因此在內燃機低迴轉時，通過使點火時刻提前並使實際壓縮比降低，從而能夠在阻止爆燃的發生的同時提高熱效率。此時，存在下述點火時刻和實際壓縮比，即，因提前點火時刻而導致的熱效率的增大量E2與因降低實際壓縮比而導致的熱效率的減少量F2之間的差(E2-F2)達到最大的、 點火時刻和實際壓縮比，在內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下，上述差(E2-M)達到最大時的點火時刻和實際壓縮比、即能夠獲得最大熱效率的點火時刻和實際壓縮比被設定為，內燃機低迴轉時的基準點火時刻和基準實際壓縮比。在本發明的實施例中，內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下的上述基準實際壓縮比AC和基準點火時刻IC作為內燃機的要求扭矩TQ和內燃機轉數N的函數而分別以圖 13(A)和13⑶所示的映像形式被預先存儲在R0M32內，並在內燃機預熱完成後，根據這些映像而計算實際壓縮比和點火時刻。而且，在內燃機啟動時這種內燃機溫度較低時不易產生爆燃，因此，此時通過使實際壓縮比提高或使點火時刻提前，從而能夠進一步提高熱效率。此外，在如處於冬季這種進氣溫度較低之時，也不易產生爆燃，因此，此時通過使實際壓縮比提高或使點火時刻提前， 從而能夠進一步提高熱效率。在此情況下，熱效率與點火時刻的滯后角量Δ IG之間的關係也成為如圖12⑶所示的關係，且熱效率與實際壓縮比的變化量AAC之間的關係也成為圖12(C)所示的關係。 即，如上所述，在內燃機高迴轉時，將點火時刻設定在MBT附近，從而即使點火時刻在MBT附近發生少許變化，熱效率也不會發生較大的變化。因此在內燃機高迴轉時，與使點火時刻提前相比，使實際壓縮比增大更能夠提高熱效率。因此在本發明中，在內燃機溫度較低或進氣溫度較低時的內燃機高迴轉時，通過使實際壓縮比與基準實際壓縮比相比而增大，從而提高了熱效率。另一方面，在內燃機低迴轉時，當以上述方式使點火時刻變化時，熱效率將發生大幅變化。因此在內燃機低迴轉時，與使實際壓縮比增大相比，使點火時刻提前更能夠提高熱效率。因此在本發明中，在內燃機溫度較低或進氣溫度較低時的內燃機低迴轉時，使點火時刻與基準點火時刻相比而提前，從而提高了熱效率。S卩，在本發明中，內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下的實際壓縮比和點火時刻，分別作為與內燃機的運轉狀態相對應的基準實際壓縮比和基準點火時刻而被預先存儲，在代表內燃機溫度的溫度低於標準狀態下的溫度、或進氣溫度低於標準狀態下的進氣溫度時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與基準實際壓縮比相比而增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與基準點火時刻相比而提前。此外，如果以此方式而在內燃機溫度較低時或進氣溫度較低時通過使實際壓縮比增大或使點火時刻提前來提高熱效率，則廢氣溫度將降低，其結果為，在三元催化劑、即排氣淨化用催化劑活化之前，需要耗費時間。因此在本發明的一個實施例中，在代表內燃機溫度的溫度低於標準狀態下的溫度或進氣溫度低於標準狀態下的進氣溫度、且排氣淨化用催化劑已活化時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與基準實際壓縮比相比而增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與基準點火時刻相比而提前。S卩，在該實施例中，在排氣淨化用催化劑尚未活化時，停止實際壓縮比的增大和點火時刻的提前對熱效率的提高作用，而在排氣淨化用催化劑已活化時，發揮實際壓縮比的增大和點火時刻的提前對熱效率的提高作用。並且，在排氣淨化用催化劑尚未活化時，通過使熱效率下降並使廢氣溫度升高，從而能夠使排氣淨化用催化劑及早活化。此時，實際壓縮比越低，則熱效率越低，且點火時刻越延遲，則熱效率越低。因此在該實施例中，在儘管代表內燃機溫度的溫度低於標準狀態下的溫度或進氣溫度低於標準狀態下的進氣溫度、但是排氣淨化用催化劑尚未活化時，則使實際壓縮比降低至最小實際壓縮比，並使點火時刻滯後至最大滯后角量。而且，如上所述，在本發明中，在內燃機溫度較低或進氣溫度較低時，在內燃機高迴轉時實際壓縮比被增大，而在內燃機低迴轉時點火時刻被提前。另外，此時也與已說明的內燃機預熱完成後的標準狀態時的情況相同，存在下述實際壓縮比和點火時刻，即，在內燃機高迴轉時因增大實際壓縮比而導致的熱效率的增大量與因滯後點火時刻而導致的熱效率的減少量之間的差達到最大的、實際壓縮比和點火時刻，還存在下述點火時刻和實際壓縮比，即，在內燃機低迴轉時因提前點火時刻而導致的熱效率的增大量與因降低實際壓縮比而導致的熱效率的減少量之間的差值達到最大的、點火時刻和實際壓縮比。因此在本發明的另一個實施例中，為了在阻止爆燃的發生的同時進一步提高熱效率，從而如圖4㈧所示，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比增大，並使點火時刻滯後，且在內燃機低迴轉時使點火時刻提前，並使實際壓縮比降低。圖14(B)表示該另一個實施例中在不同的進氣溫度a、b、c下的實際壓縮比的增大量或減少量ΔΑα與內燃機轉數N之間的關係。圖14(C)表示該另一個實施例中在不同的進氣溫度a、b、c下的點火時刻的提前角量或滯后角量Δ IGl與內燃機轉數N之間的關係。 並且，在圖14(B)、(C)中，進氣溫度存在a>b>c&關係。因此從圖14(B)、(C)中可以獲知，內燃機轉數N越高以及進氣溫度越低，則實際壓縮比的增大量AACl越大並且點火時刻的滯后角量AIGl越大；而內燃機轉數N越低以及進氣溫度越低，則實際壓縮比的減少量 AACl越大並且點火時刻的提前角量Δ IGl越大。此夕卜，圖15㈧和15(B)中圖示了在該另一個實施例中使用內燃機冷卻水溫度作為代表內燃機溫度的溫度的情況下的各種關係。即，圖15(A)表示在不同的內燃機冷卻水溫度a、b、c下的實際壓縮比的增大量或減少量AAC2與內燃機轉數N之間的關係，圖15(B) 表示在不同的內燃機冷卻水溫度a、b、c下的點火時刻的提前角量或滯后角量AIG2與內燃機轉數N之間的關係。並且，在圖15㈧、(B)中，冷卻水溫度存在a>b>c&關係。
因此，從圖15(A)、⑶中可知，內燃機轉數N越高以及冷卻水溫度越低，則實際壓縮比的增大量AAC2越大並且點火時刻的滯后角量AIG2越大；而內燃機轉數N越低以及冷卻水溫度越低，則實際壓縮比的減少量AAC2越大並且點火時刻的提前角量AIG2越大。作為代表性的運轉控制程序，在圖16中圖示了該另一個實施例的運轉控制程序。 並且，該程序通過每隔固定時間的中斷而被執行。參照圖16，首先在步驟100中，根據圖10㈧所示的映像來計算進氣閥7的目標閉閥時刻ic。然後在步驟101中，根據圖13(A)所示的映像來計算內燃機預熱完成後的標準狀態下的基準實際壓縮比AC。然後在步驟102中，判斷由溫度傳感器M檢測到的催化劑溫度TC是否高於催化劑活化溫度TCtl,當TC彡TC0時，進入步驟106，並將目標實際壓縮比 ACO設定為最小實際壓縮比AQ。然後進入步驟107。相對於此，當TC > TCtl時則進入步驟 103。在步驟103中，基於由溫度傳感器23檢測到的進氣溫度和內燃機轉數N，並根據圖 14(B)所示的關係來計算實際壓縮比的增大量或減少量AAC1。然後在步驟104中，基於由溫度傳感器22檢測到的內燃機冷卻水溫度和內燃機轉數N，並根據圖15(A)所示的關係來計算實際壓縮比的增大量或減少量AAC2。然後在步驟105中，通過在基準實際壓縮比AC 上加上AACl和Δ AC2，從而計算目標實際壓縮比ACO ( = AC+Δ ACl+Δ AC2)，然後進入步驟 107。在步驟107中，計算在將實際壓縮比設定為目標實際壓縮比ACO時所需的目標機械壓縮比CR。然後在步驟108中，根據圖10(B)所示的映像來計算節氣門17的目標開度 θ。然後在步驟109中，根據圖13(B)所示的映像來計算內燃機預熱完成後的標準狀態下的基準點火時刻IG。然後在步驟110中，再次判斷由溫度傳感器M檢測到的催化劑溫度 TC是否高於催化劑活化溫度TCtl,當TC彡TC0時，進入步驟114，並將目標點火時刻IGO設定為最大滯后角量然後進入步驟115。相對於此，當TC > TC0時則進入步驟111。在步驟111中，基於由溫度傳感器23檢測到的進氣溫度以及內燃機轉數N，並根據圖14(C)所示的關係來計算點火時刻的提前角量或滯后角量AIG1。然後在步驟112中，基於由溫度傳感器22檢測到的內燃機冷卻水溫度和內燃機轉數N，並根據圖15(B)所示的關係來計算點火時刻的提前角量或滯后角量△ IG2。然後在步驟113中，通過在基準點火時刻 IG上加上AIG 1和AIG 2，從而計算目標點火時刻IGO ( = IG+Δ IGl+Δ IG2)。然後進入步驟115。在步驟115中，以機械壓縮比成為目標機械壓縮比CR的方式來控制可變壓縮比機構Α，以進氣閥7的閉閥時刻成為目標閉閥時刻IC的方式來控制可變氣門正時機構B，以點火時刻成為目標時刻IGO的方式來控制火花塞6的點火作用，以節氣門17的開度成為目標開度θ的方式來控制節氣門17。符號說明1曲軸箱2氣缸體3氣缸蓋4 活塞5燃燒室7進氣閥
22、23、M溫度傳感器70進氣閥驅動用凸輪軸A可變壓縮比機構B可變氣門正時機構
權利要求
1.一種火花點火式內燃機，具備能夠對機械壓縮比進行變更的可變壓縮比機構、和能夠對進氣閥的閉閥時刻進行控制的可變氣門正時機構，其中，內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下的實際壓縮比和點火時刻分別作為與內燃機的運轉狀態相對應的基準實際壓縮比和基準點火時刻而被預先儲存，在代表內燃機溫度的溫度低於上述標準狀態下的溫度、或進氣溫度低於上述標準狀態下的進氣溫度時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與上述基準實際壓縮比相比而增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與上述基準點火時刻相比而提前。
2.如權利要求1所述的火花點火式內燃機，其中，在代表內燃機溫度的溫度低於上述標準狀態下的溫度或進氣溫度低於上述標準狀態下的進氣溫度、且排氣淨化用催化劑已活化時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與上述基準實際壓縮比相比而增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與上述基準點火時刻相比而提前。
3.如權利要求2所述的火花點火式內燃機，其中，在儘管代表內燃機溫度的溫度低於上述標準狀態下的溫度或進氣溫度低於上述標準狀態下的進氣溫度、但是排氣淨化用催化劑並未活化時，使實際壓縮比降低至最小實際壓縮比，並使點火時刻滯後至最大滯后角量。
4.如權利要求1或2所述的火花點火式內燃機，其中，在代表內燃機溫度的溫度低於上述標準狀態下的溫度、或進氣溫度低於上述標準狀態下的進氣溫度時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與上述基準實際壓縮比相比而增大、並使點火時刻與上述基準點火時刻相比而滯後，在內燃機低迴轉時使點火時刻與上述基準點火時刻相比而提前、並使實際壓縮比與上述基準實際壓縮比相比而降低。
5.如權利要求4所述的火花點火式內燃機，其中，代表內燃機溫度的溫度越低於上述標準狀態下的溫度、或進氣溫度越低於上述標準狀態下的進氣溫度，則在內燃機高迴轉時越使實際壓縮比增大並使點火時刻滯後，而在內燃機低迴轉時越使點火時刻提前並使實際壓縮比降低。
全文摘要
本發明提供一種內燃機，其具備能夠對機械壓縮比進行變更的可變壓縮比機構(A)、和能夠對進氣閥(7)的閉閥時刻進行控制的可變氣門正時機構(B)。內燃機預熱完成後的預定的標準狀態下的實際壓縮比和點火時刻分別作為基準實際壓縮比和基準點火時刻而被預先儲存。在內燃機溫度較低或進氣溫度較低時，在內燃機高迴轉時使實際壓縮比與基準實際壓縮比相比被增大，在內燃機低迴轉時使點火時刻與基準點火時刻相比被提前。
文檔編號F02P5/145GK102597464SQ20098016224
公開日2012年7月18日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者小玉航平, 秋久大輔 申請人:豐田自動車株式會社