ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЗАЖИГАНИЕМ ИСКРОВОГО ТИПА Российский патент 2010 года по МПК F02D41/00 F02D15/00 F02D13/02 

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа.

В области техники известен двигатель внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа, снабженный механизмом переменной степени сжатия, выполненным с возможностью изменения механической степени сжатия, и механизмом регулирования фаз газораспределения, выполненным с возможностью индивидуального управления моментом открытия и моментом закрытия впускного клапана и сдвигом момента закрытия впускного клапана в направлении от нижней мертвой точки впуска и повышением механической степени сжатия при более низкой нагрузке на двигатель (например, см. японскую патентную публикацию №2002-285876). В этом двигателе внутреннего сгорания во время работы на малых оборотах впускной клапан открывается после того, как верхняя мертвая точка впуска осталась значительно позади, и закрывается после короткого времени открытия.

Вообще говоря, в двигателе внутреннего сгорания чем более низкая нагрузка на двигатель, тем более худший термический КПД, следовательно, чтобы улучшить термический КПД во время эксплуатации транспортного средства, т.е. улучшить расход топлива, необходимо улучшить термический КПД во время работы двигателя при пониженной нагрузке. Однако в двигателе внутреннего сгорания, чем больше степень расширения, тем более длинный период, в течение которого сила прижимает поршень во время такта расширения, следовательно, чем больше степень расширения, тем больше улучшается термический КПД. С другой стороны, при повышении степени сжатия двигателя степень расширения становится выше. Следовательно, чтобы улучшить термический КПД во время эксплуатации транспортного средства, предпочтительно повышать механическую степень сжатия во время работы двигателя при низкой нагрузке насколько возможно, чтобы позволить получить максимальную степень расширения во время работы двигателя при низкой нагрузке.

Однако, если повышается степень сжатия двигателя, объем камеры сгорания в верхней мертвой точке впуска становится меньше. Соответственно, существует проблема в том, что, если открыть впускной клапан намного ранее верхней мертвой точки впуска, впускной клапан столкнется с верхним концом поршня. Следовательно, при повышении механической степени сжатия необходимо предотвратить возникновение этой проблемы, открывая впускной клапан в области без столкновения- клапанов и поршня, где поршень не сталкивается с ним. В этом случае, при открытии впускного клапана после верхней мертвой точки впуска обычно впускной клапан не будет сталкиваться с поршнем. Впускной клапан сталкивается с поршнем, когда впускной клапан открывается перед верхней мертвой точкой впуска. Следовательно, чтобы предохранить впускной клапан от столкновения с поршнем, впускной клапан должен быть открыт в области без столкновения клапанов и поршня перед верхней мертвой точкой впуска или должен быть открыт после верхней мертвой точки впуска.

Однако, в этом случае, если впускной клапан открывается после верхней мертвой точки впуска, внутри камеры сгорания возникает разрежение, пока впускной клапан открывается, и, соответственно, происходит насосная потеря. Следовательно, как и в вышеуказанном известном двигателе внутреннего сгорания, во время холостого хода происходит значительная насосная потеря, когда впускной клапан открывается значительно позже после прохождения верхней мертвой точки впуска.

Теперь, как объяснено выше, чтобы улучшить термический КПД во время эксплуатации транспортного средства, предпочтительно получить максимальную степень расширения во время работы двигателя при низкой нагрузке, делая механическую степень сжатия настолько высокой, насколько возможно. Однако в то же время происходит насосная потеря и термический КПД заканчивается падением, таким образом, означая, что эффективность от повышения механической степени сжатия наполовину уменьшается.

Целью настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа, способного предотвратить столкновение впускного клапана с поршнем, предотвратить возникновение насосной потери и получить высокий термический КПД при повышении термического КПД двигателя посредством повышения механической степени сжатия.

Согласно настоящему изобретению создан двигатель внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа, содержащий механизм переменной степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, и механизм регулирования фаз газораспределения, выполненный с возможностью индивидуального управления моментом открытия и моментом закрытия впускного клапана, причем момент закрытия впускного клапана смещается в направлении от нижней мертвой точки впуска при более низкой нагрузке на двигатель, чтобы подавать в камеру сгорания объем всасываемого воздуха в соответствии с требуемой нагрузкой, при этом механическая степень сжатия устанавливается максимальной, так что максимальная степень расширения, равная 20 или более, достигается во время работы двигателя при низкой нагрузке, и момент открытия впускного клапана удерживается на намеченном моменте открытия, по существу, в верхней мертвой точке впуска в области без столкновения клапанов и поршня, причем поршень не сталкивается с клапаном, по меньшей мере, в течение времени, когда механическая степень сжатия является максимальной.

Предпочтительно, фактическая степень сжатия во время работы двигателя при низкой нагрузке является фактической степенью сжатия, по существу, такой же, что и во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке.

Предпочтительно, при низкой скорости вращения двигателя, независимо от нагрузки на двигатель, фактическая степень сжатия находится в диапазоне около ±10% относительно фактической степени сжатия во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке.

Предпочтительно, чем выше скорость вращения двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия задерживается относительно операции изменения момента открытия впускного клапана, так что механическая степень сжатия становится максимальной после того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия начинается после того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия начинается после того, как началась операция изменения момента открытия впускного клапана, и до того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, скорость изменения механической степени сжатия задерживается.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается после того, как началась операция изменения механической степени сжатия до более низкой механической степени сжатия.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается после того, как механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия согласно рабочему состоянию двигателя.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается, пока механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия согласно рабочему состоянию двигателя.

Предпочтительно, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, скорость изменения механической степени сжатия задерживается, если началась операция изменения момента открытия впускного клапана.

Предпочтительно, момент закрытия впускного клапана понижается, когда нагрузка на двигатель снижается в направлении от нижней мертвой точки впуска до тех пор, пока предельный момент закрытия разрешает управление объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Предпочтительно, в области нагрузки, более высокой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, управляется посредством изменения момента закрытия впускного клапана независимо от дроссельной заслонки, предусмотренной во впускном канале двигателя.

Предпочтительно, в области нагрузки, более высокой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, дроссельная заслонка удерживается в полностью открытом состоянии.

Предпочтительно, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, управляется дроссельной заслонкой, предусмотренной во впускном канале двигателя.

Предпочтительно, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, чем ниже нагрузка, тем больше устанавливается соотношение воздух-топливо.

Предпочтительно, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, момент закрытия впускного клапана удерживается в предельном моменте закрытия.

Предпочтительно, механическая степень сжатия повышается, когда нагрузка на двигатель становится более низкой, до предельной механической степени сжатия.

Предпочтительно, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия удерживается в предельной механической степени сжатия.

Далее, настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - общий вид двигателя внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа;

Фиг. 2 - вид в перспективе разобранного механизма переменной степени сжатия;

Фиг.3 - вид сбоку в поперечном сечении иллюстрируемого двигателя внутреннего сгорания;

Фиг.4 - вид механизма регулирования фаз газораспределения;

Фиг.5 - вид, показывающий величину поднятия впускного клапана и выпускного клапана;

Фиг.6 - вид для объяснения степени сжатия двигателя, фактической степени сжатия и степени расширения;

Фиг. 7 - вид, показывающий взаимоотношение между теоретическим термическим КПД и степенью расширения;

Фиг.8 - вид для объяснения обычного цикла и цикла сверхвысокой степени расширения;

Фиг.9 - вид, показывающий изменение в механической степени сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель;

Фиг.10 - вид, показывающий величину поднятия впускного клапана и выпускного клапана;

Фиг.11 - вид, показывающий изменение в моменте IO открытия и моменте IC закрытия впускного клапана и механической степени сжатия;

Фиг.12 - вид, показывающий изменение в моменте IO открытия и моменте IC закрытия впускного клапана и механической степени сжатия;

Фиг.13 - вид, показывающий изменение в моменте IO открытия и моменте IC закрытия впускного клапана и механической степени сжатия;

Фиг.14 - вид соответствия момента IO открытия впускного клапана; и

Фиг. 15 - последовательность операций оперативного управления.

Фиг.1 является видом сбоку в поперечном сечении двигателя внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа.

На фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен картер двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - головка цилиндра, 4 - поршень, 5 -камера сгорания, 6 - свеча зажигания, размещенная в верхней мертвой точке камеры 5 сгорания, 7 - впускной клапан, 8 - впускное отверстие, 9 - выпускной клапан, 10 - выпускное отверстие. Впускное отверстие 8 соединено через впускной патрубок 11 с уравнительным бачком 12, в то время как каждый впускной патрубок 11 снабжен топливной форсункой 13 для впрыска топлива в соответствующее впускное отверстие 8. Каждая топливная форсунка 13 может быть размещена в каждой камере 5 сгорания вместо прикрепления к каждому впускному патрубку 11.

Уравнительный бачок 12 соединен через впускной канал 14 с выходным отверстием компрессора 15а турбонагнетателя 15 с приводом от выхлопной системы двигателя, в то время как входное отверстие компрессора 15а соединено с воздушным фильтром через датчик 16 количества всасываемого воздуха, использующий, например, токоведущий провод. Впускной канал 14 снабжен внутри дроссельной заслонкой 19, приводимой в действие приводом 18.

С другой стороны, выпускное отверстие соединено через выпускной коллектор 20 с входным отверстием выхлопной турбины 15b турбонагнетателя 15 с приводом от выхлопной системы двигателя, в то время как выходное отверстие выхлопной турбины 15b соединено через выхлопную трубу 21, например, с каталитическим нейтрализатором 22 отработавших газов, вмещающим в себя трехкомпонентный нейтрализатор. Выхлопная труба 21 имеет датчик 23 контроля состава смеси воздух-топливо, размещенный в ней.

С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, соединяющая часть картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров снабжена механизмом А переменной степени сжатия, выполненным с возможностью изменения относительного положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в осевом направлении цилиндров с тем, чтобы изменить объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, и дополнительно снабжена механизмом В регулирования фаз газообразования, выполненным с возможностью индивидуального управления моментом закрытия впускного клапана 7 и моментом открытия впускного клапана 7 с тем, чтобы изменять момент начала фактического действия сжатия.

Электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, снабженного компонентами, соединенными друг с другом через двунаправленную шину 31, такими как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) 32, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 33, ЦП (центральный процессор) 34, порт 35 ввода, порт 36 вывода. Выходной сигнал датчика 16 количества всасываемого воздуха и выходной сигнал датчика 23 контроля состава смеси воздух-топливо вводятся через соответствующие АЦ преобразователи 37 в порт 35 ввода. Дополнительно, педаль 40 акселератора соединена с датчиком 41 нагрузки, формирующим выходное напряжение, пропорциональное величине надавливания L педали 40 акселератора. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки вводится через соответствующий АЦ-преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота коленчатого вала, формирующим выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 30°. С другой стороны, порт 36 вывода соединен через управляющую схему 38 со свечой 6 зажигания, топливной форсункой 13, приводом 18 дроссельной заслонки, механизмом А переменной степени сжатия и механизмом В регулирования фаз газораспределения.

Фиг.2 является видом в перспективе разобранного механизма А переменной степени сжатия, показанного на фиг.1, в то время как фиг. 3 является боковым поперечно-рассеченным видом иллюстрированного двигателя внутреннего сгорания.

Согласно Фиг.2, внизу двух боковых стенок блока 2 цилиндров сформированы множество выступающих частей 50, разделенных друг от друга определенным расстоянием. Каждая выступающая часть 50 сформирована с круглым в поперечном сечении отверстием 51 для вставки кулачка. С другой стороны, верхняя поверхность картера 1 двигателя сформирована с множеством выступающих частей 52, разделенных друг от друга определенным расстоянием и устанавливаемых между соответствующими выступающими частями 50. Эти выступающие части 52 также сформированы с круглыми в поперечном сечении отверстиями 53 для вставки кулачка.

Как показано на фиг.2, предусмотрена пара кулачковых валов 54, 55. Каждый из кулачковых валов 54, 55 имеет дисковые кулачки 56, закрепленные на них, выполненные с возможностью вращающимся образом введения в отверстия 51 для вставки кулачков в каждой второй позиции. Эти дисковые кулачки 56 являются соосными с осями вращения кулачковых валов 54, 55. С другой стороны, между дисковыми кулачками 56, как показано штриховкой на фиг.3, протягивающиеся эксцентриковые валы 57 размещены эксцентрично по отношению к осям вращения кулачковых валов 54, 55. Каждый эксцентриковый вал 57 имеет другие дисковые кулачки 58, вращающимся образом прикрепленные к ним эксцентрично. Как показано на фиг.2, эти дисковые кулачки 58 размещены между дисковыми кулачками 56. Эти дисковые кулачки 58 вращающимся образом вставлены в соответствующие отверстия 53 для вставки кулачков.

Когда дисковые кулачки 56, прикрепленные к кулачковым валам 54, 55, вращаются в противоположных направлениях, как показано стрелками сплошной линии на фиг.3(А), из состояния, показанного на фиг.3(А), эксцентриковые валы 57 движутся к нижней точке, так что дисковые кулачки 58 вращаются в противоположных направлениях от дисковых кулачков 56 в отверстиях 53 для вставки кулачков, как показано стрелками прерывистой линии на фиг.3(А). Как показано на фиг.3(В), когда эксцентриковые валы 57 движутся к нижней точке, центры дисковых кулачков 58 движутся ниже эксцентриковых валов 57.

Как будет понятно из сравнения фиг.3(А) и фиг.3(В), относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров определяются расстоянием между центрами дисковых кулачков 56 и центрами дисковых кулачков 58. Чем больше расстояние между центрами дисковых кулачков 56 и центрами дисковых кулачков 58, тем дальше блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. Если блок 2 цилиндров движется от картера 1 двигателя, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, увеличивается, следовательно, создавая вращение кулачковых валов 54, 55, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, может изменяться.

Как показано на фиг.2, чтобы создать вращение кулачковых валов 54, 55 в противоположных направлениях, вал приводного двигателя 59 снабжен парой червячных шестерней 61, 62 с противоположными направлениями резьбы. Шестерни 63, 64, сцепляющиеся с этими червячными шестернями 61, 62, прикреплены к концам кулачковых валов 54, 55. В этом варианте осуществления приводной двигатель 59 может приводиться в движение, чтобы изменять объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке сжатия, в большом диапазоне. Механизм А переменной степени сжатия, показанный на фиг.1 по фиг.3, иллюстрирует пример. Может быть использован любой тип механизма переменной степени сжатия.

С другой стороны, фиг.4 показывает механизм В изменения фаз газораспределения, предусмотренный на кулачковом валу 70 для приведения в движение впускного клапана 7 на фиг.1. Как показано на фиг.4, механизм В изменения фаз газораспределения состоит из устройства В1 изменения фаз кулачка, прикрепленного к одному концу кулачкового вала 70 и изменяющего фазу кулачка кулачкового вала 70, и устройства В2 изменения угла срабатывания кулачка, размещенного между кулачковым валом 70 и толкателем 24 впускного клапана 7 и изменяющего рабочий угол кулачков кулачкового вала 70 на другие рабочие углы для передачи впускному клапану 7. Отметим, что фиг.4 является боковым видом в разрезе и видом сверху устройства В2 изменения угла срабатывания кулачка.

Сначала объясним устройство В1 изменения фаз кулачка механизма В регулирования фаз газораспределения, это устройство В1 изменения фаз кулачка снабжено зубчатым шкивом 71, сделанным, чтобы вращаться посредством коленчатого вала двигателя через зубчатый ремень привода в направлении стрелки, цилиндрическим корпусом 72, вращающимся вместе с зубчатым шкивом 71, валом 73, выполненным с возможностью вращения вместе с кулачковым валом 70 и вращаться относительно цилиндрического корпуса 72, множеством частей 74, проходящих от внутренней окружности цилиндрического корпуса 72 к внешней окружности вала 73, и лопастями 75, проходящими между частями 74 от внешней окружности вала 73 к внутренней окружности цилиндрического корпуса 72, две стороны лопастей 75 сформированы с гидравлическими камерами 76, используемыми для опережения, и гидравлическими камерами 77, используемыми для запаздывания.

Подача рабочей жидкости на масляной основе в гидравлические камеры 76, 77 управляется клапаном 78 управления подачей рабочей жидкости на масляной основе. Этот клапан 78 управления подачей рабочей жидкости на масляной основе снабжен отверстиями 79, 80 для жидкости, соединенными с гидравлическими камерами 76, 77, отверстием 82 подачи рабочей жидкости на масляной основе, выпущенной из гидравлического насоса 81, парой сливных отверстий 83, 84 и золотниковым клапаном 85 для управления соединением и разъединением отверстий 79, 80, 82, 83 и 84.

Чтобы выполнить опережение фазы кулачка кулачкового вала 70, на фиг.4, золотниковый клапан 85 двигается вниз, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 79 к гидравлическим цилиндрам для опережения 76 и рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических цилиндрах для запаздывания 77 стекает из сливного отверстия 84. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении стрелки X.

Как противоположность этому, чтобы выполнить запаздывание фазы кулачка кулачкового вала 70, на фиг.4, золотниковый клапан 85 сдвигается вниз, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 80 к гидравлическим цилиндрам для запаздывания 77, а рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических цилиндрах для опережения 76 стекает из сливного отверстия 83. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, противоположном стрелке X.

Когда вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72, если золотниковый клапан 85 возвращен в нейтральную позицию, показанную на фиг.4, операция относительного смещения вала 73 заканчивается и вал 73 удерживается в относительно вращающемся положении в это время. Следовательно, возможно использовать устройство В1 изменения фаз кулачка так, чтобы двигать вперед или назад фазу кулачка кулачкового вала 70 на точную требуемую величину. Таким образом, устройство В1 изменения фаз кулачка может свободно двигать вперед или задерживать момент открытия впускного клапана 7.

Далее, объясним устройство В2 изменения угла срабатывания кулачка механизма В регулирования фаз газораспределения, это устройство В2 изменения угла срабатывания кулачка снабжено управляющим стержнем 90, размещенным параллельно кулачковому валу 70 и выполненным с возможностью перемещения посредством приводного двигателя 91 в осевом направлении, промежуточным кулачком 94, сцепленным с кулачком 92 кулачкового вала 70 и размещенным с возможностью скольжения на шлицах 93, сформированных на управляющем стержне 90 и протягивающееся в осевом направлении, и передвижным кулачком 96, сцепляющимся с толкателем 24 клапана для приведения в движение впускного клапана 7 и размещенным с возможностью скольжения на шлицах 95, протягивающихся по спирали, сформированной на управляющем стержне 90. Скользящий кулачок 96 сформирован с кулачком 97.

Когда кулачковый вал 70 вращается, кулачок 92 заставляет промежуточный кулачок 94 качаться на точный постоянный угол все время. В это время скользящий кулачок 96 также качается на точный постоянный угол. С другой стороны, промежуточный кулачок 94 и скользящий кулачок 96 поддерживаются подвижным образом в осевом направлении управляющего стержня 90, следовательно, когда управляющий стержень 90 движется посредством приводного двигателя 91 в осевом направлении, скользящий кулачок 96 вращается относительно промежуточного кулачка 94.

Когда кулачок 92 кулачкового вала 70 начинает входить в контакт с промежуточным кулачком 94 из-за относительного поворотного позиционного соотношения между промежуточным кулачком 94 и скользящим кулачком 96, если кулачок 97 скользящего кулачка 96 начинает входить в контакт с толкателем 24 клапана, как показано символом а на фиг.5(В), время открытия и поднятие впускного клапана 7 становится максимальным. В противоположность этому, когда используется привод 91, чтобы вращать передвижной кулачок 96 относительно промежуточного кулачка 94 в направлении стрелки Y на фиг.4, кулачок 92 кулачкового вала 70 входит в контакт с промежуточным кулачком 94, затем, немного позже, кулачок 97 промежуточного кулачка 96 входит в контакт с толкателем 24 клапана. В этом случае, как показано символом b на фиг.5(В), время открытия и величина подъема впускного клапана 7 становятся меньше, чем а.

Когда скользящий кулачок 96 вращается относительно промежуточного кулачка 94 в направлении стрелки Y на фиг.4, как показано символом с на фиг.5(В), время открытия и величина подъема впускного клапана становятся еще меньше. Т.е. используя привод 91, чтобы изменить относительную поворотную позицию промежуточного кулачка 94 и скользящего кулачка 96, время открытия впускного клапана 7 может быть свободно изменено. Однако в этом случае величина подъема впускного клапана 7 становится тем меньше, чем короче время открытия впускного клапана 7.

Устройство В1 изменения фаз кулачка может использоваться, чтобы свободно изменять момент открытия впускного клапана 7, и устройство В2 изменения угла срабатывания кулачка может использоваться, чтобы свободно изменять время открытия впускного клапана 7 в этом способе, таким образом, и устройство В1 изменения фаз кулачка и устройство В2 изменения угла срабатывания кулачка, т.е. механизм В регулирования фаз газораспределения, могут использоваться, чтобы свободно изменять момент открытия и время открытия впускного клапана 7, т.е. момент открытия и момент закрытия впускного клапана 7.

Механизм В регулирования фаз газораспределения, показанный на фиг.1 и фиг.4 иллюстрирует пример. Также можно использовать различные типы механизмов регулирования фаз газораспределения, отличные от примера, показанного на фиг.1 и 4.

Далее, значение терминов, используемых в настоящей заявке, будет объяснено со ссылкой на фиг.6. На фиг.6(А), (В) и (С) показан в пояснительных целях двигатель с объемом камер сгорания в 50 мл и рабочим объемом цилиндра над поршнем в 500 мл. При этом на фиг.6 (А), (В) и (С) объем камеры сгорания показывает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке сжатия.

Фиг.6(А) объясняет механическую степень сжатия. Механическая степень сжатия является величиной, определенной механически из рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания в момент такта сжатия. Эта механическая степень сжатия выражается значением (объем камеры сгорания + рабочий объем)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6 (А), эта механическая степень сжатия становится (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.

Фиг.6(В) объясняет фактическую степень сжатия. Фактическая степень сжатия является величиной, определенной из фактического рабочего объема цилиндры от момента, когда действие сжатия фактически началось, до момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки, и объема камеры сгорания. Эта фактическая степень сжатия выражается значением (объем камеры сгорания + фактический рабочий объем)/объем камеры сгорания. Т.е., как показано на фиг.6 (В), даже если поршень начинает подниматься в ходе сжатия, действие сжатия не выполняется, пока открыт впускной клапан. Фактическое действие сжатия начинается после того, как впускной клапан закрывается. Следовательно, фактическая степень сжатия выражается как следующая с помощью фактического рабочего объема. В примере, показанном на фиг.6(В), фактическая степень сжатия становится (50 мл + 450 мл)/50 мл = 10.

Фиг.6(С) объясняет степень расширения. Степень расширения является величиной, определенной из рабочего объема цилиндра во время такта расширения и объема камеры сгорания. Эта степень расширения выражается значением (объем камеры сгорания + рабочий объем)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(С), эта степень расширения становится (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.

Далее, основные признаки настоящего изобретения будут объяснены со ссылкой на фиг.7 и 8. На фиг.7 показано соотношение между теоретическим термическим КПД и степенью расширения, в то время как на фиг.8 показано сравнение между обычным циклом и циклом сверхвысокой степени расширения, используемым выборочно в соответствии с нагрузкой в настоящем изобретении.

Фиг.8(А) показывает обычный цикл, когда впускной клапан закрывается рядом с нижней мертвой точкой, и действие сжатия посредством поршня начинается близко от, по существу, нижней мертвой точки сжатия. В примере, также показанном на этой фиг.8(А), в том же способе, что и в примерах, показанных на фиг.6(А), (В) и (С), объем камеры сгорания сделан 50 мл, а рабочий объем цилиндра сделан 500 мл. Как будет понятно из фиг.8(А), в обычном цикле механическая степень сжатия равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11, фактическая степень сжатия также равна приблизительно 11, и степень расширения также становится (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11. Т.е. в обычном двигателе внутреннего сгорания механическая степень сжатия и фактическая степень сжатия и степень расширения становятся, по существу, равными.

Сплошная линия на фиг.7 показывает изменение в теоретическом термическом КПД в случае, когда фактическая степень сжатия и степень расширения, по существу, равны, т.е. в обычном цикле. В этом случае, чем больше степень расширения, т.е. более высокая фактическая степень сжатия, тем выше теоретический термический КПД. Следовательно, в обычном цикле, чтобы повысить теоретический термический КПД, фактическая степень сжатия должна быть сделана более высокой. Однако, из-за ограничений на возникновение детонации во время работы двигателя при высокой нагрузке, фактическая степень сжатия может быть повышена только равномерно максимум приблизительно до 12, соответственно, в обычном цикле, теоретический термический КПД не может быть сделан достаточно высоким.

С другой стороны, в такой ситуации существует различие между механической степенью сжатия и фактической степенью сжатия и изучаемым теоретическим термическим КПД, так что в теоретическом термическом КПД степень расширения является доминирующей, и на теоретический термический КПД почти совсем не влияет фактическая степень сжатия. Т.е. если фактическая степень сжатия повышается, взрывная сила растет, но сжатие требует большой энергии, соответственно, даже если фактическая степень сжатия повышается, теоретический термический КПД почти не будет повышаться.

В противоположность этому, если повышается степень расширения, чем длиннее период, в течение которого сила действует как придавливающая поршень в момент такта расширения, тем более продолжительно время, в течение которого поршень передает силу вращения коленчатому валу. Следовательно, чем большей сделана степень расширения, тем более высоким становится теоретический термический КПД. Прерывистая линия на фиг.7 показывает теоретический термический КПД в случае фиксирования фактической степени сжатия в значении 10 и повышения степени расширения в этом состоянии. В этом способе величина роста теоретического термического КПД при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия сохраняется на низком значении, и величина роста теоретического термического КПД в случае, когда фактическая степень сжатия повышается вместе со степенью расширения, как показано сплошной линией на фиг.7, почти не будут отличаться.

Если фактическая степень сжатия удерживается на низком значении в этом способе, то детонация не возникнет. Следовательно, при повышении степени расширения в состоянии, где фактическая степень сжатия удерживается на низком значении, возникновение детонации может быть предотвращено, и теоретический термический КПД может быть значительно повышен. Фиг.8(В) показывает пример случая, когда используется механизм А переменной степени сжатия и механизм В регулирования фаз газораспределения, чтобы поддерживать фактическую степень сжатия на низком значении и повышать степень расширения.

Обращаясь к фиг.8(В), в этом примере, используется механизм А переменной степени сжатия, чтобы уменьшить объем камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм В регулирования фаз газораспределения используется, чтобы задержать момент закрытия впускного клапана до тех пор, пока фактический рабочий объем поршня не изменится с 500 мл до 200 мл. В результате, в этом примере, фактическая степень сжатия становится (20 мл + 200 мл)/20 мл = 11, а степень расширения становится (20 мл + 500 мл)/20 мл = 26. В обычном цикле, показанном на фиг.8(А), как объяснено выше, фактическая степень сжатия равна приблизительно 11, и степень расширения равна 11. По сравнению с этим случаем, в случае, показанном на фиг.8 (В), изучено, что только степень расширения повышается до 26. Т.е. причина в так называемом "цикле сверхвысокой степени расширения".

Как объяснено выше, вообще говоря, в двигателе внутреннего сгорания, чем более низкая нагрузка на двигатель, тем хуже термический КПД. Следовательно, чтобы повысить термический КПД во время эксплуатации транспортного средства, т.е. улучшить расход топлива, становится необходимым повышение термического КПД во время работы двигателя при низкой нагрузке. С другой стороны, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на фиг.8 (В), фактический рабочий объем поршня во время такта сжатия сделан меньшим, таким образом, объем всасываемого воздуха, который может быть засосан в камеру 5 сгорания, становится меньшим, следовательно, этот цикл сверхвысокой степени расширения может применяться, только когда нагрузка на двигатель относительна мала. Следовательно, в настоящем изобретении, во время работы двигателя при низкой нагрузке устанавливается цикл сверхвысокой степени расширения, показанный на фиг.8(В), в то время как во время работы двигателя при высокой нагрузке устанавливается обычный цикл, показанный на фиг.8(А). Это является основным признаком настоящего изобретения.

Фиг.9 показывает оперативное управление в целом во время устойчивой работы, когда скорость вращения двигателя является низкой. Ниже оперативное управление в целом будет объяснено со ссылкой на фиг.9.

На фиг.9 показано изменение в механической степени сжатия, степени расширения, моменте закрытия впускного клапана 7, фактической степени сжатия, количестве всасываемого воздуха, степени открытия дроссельной заслонки 17 и насосной потере вместе с нагрузкой на двигатель. В варианте осуществления согласно настоящему изобретению, обычно, среднее соотношение воздух-топливо в камере 5 сгорания является обратной связью, контролируемой до стехиометрического соотношения воздух-топливо на основе выходного сигнала датчика 21 контроля состава смеси воздух-топливо, так что трехкомпонентный нейтрализатор в каталитическом нейтрализаторе 20 отработавших газов может одновременно уменьшить несгоревшие СН, СО и NO_x в выхлопном газе.

Теперь, как объяснено выше, во время работы двигателя при высокой нагрузке выполняется обычный цикл, показанный на фиг.8(А). Следовательно, как показано на фиг.9, в это же время, так как механическая степень сжатия понижена, степень расширения понижается. Как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается с опережением, как показано сплошной линией на фиг.5. Кроме того, в это время объем всасываемого воздуха велик. В это же время степень открытия дроссельная заслонка 17 сохраняется полностью открытой или, по существу, полностью открытой, таким образом, насосная потеря становится нулевой.

С другой стороны, как показано на фиг.9, вместе с уменьшением в нагрузке на двигатель повышается механическая степень сжатия, следовательно, степень расширения также повышается. Кроме того, в это время момент закрытия впускного клапана 7 задерживается, так как нагрузка на двигатель становится ниже, как показано сплошной линией на фиг.9, так что фактическая степень сжатия остается, по существу, постоянной. В это время дроссельная заслонка 17 остается полностью открытой или в значительной степени в полностью открытом состоянии. Следовательно, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, контролируется не дроссельной заслонкой 17, а изменением момента закрытия впускного клапана 7. Также в это время насосная потеря становится нулевой.

В этом способе, когда нагрузка на двигатель становится ниже рабочего состояния двигателя при высокой нагрузке, механическая степень сжатия повышается вместе с падением объемом всасываемого воздуха, по существу, при постоянной фактической степени сжатия. Т.е. объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, уменьшается пропорционально уменьшению в объеме всасываемого воздуха. Следовательно, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально объему всасываемого воздуха. В это время соотношение воздух-топливо в камере 5 сгорания становится стехиометрическим соотношением воздух-топливо. Таким образом, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально количеству топлива.

Если нагрузка на двигатель становится более низкой, механическая степень сжатия дополнительно повышается. Когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, формирующей структурное ограничение камеры 5 сгорания, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка L₁ на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия удерживается на предельной степени сжатия двигателя. Следовательно, во время работы двигателя при низкой нагрузке механическая степень сжатия становится максимальной и степень расширения также становится максимальной. Излагая это другим образом в настоящем изобретении, с тем чтобы получить максимальную степень расширения во время работы двигателя при низкой нагрузке, механическая степень сжатия делается максимальной. Кроме того, в это же время фактическая степень сжатия сохраняется на фактической степени сжатия, по существу, той же, что и во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке.

С другой стороны, как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 задерживается до предельного момента закрытия, позволяя управлять объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, когда нагрузка на двигатель снижается. В области нагрузки, более низкой, чем нагрузка L₂ на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, момент закрытия впускного клапана 7 удерживается на предельном моменте закрытия. Если момент закрытия впускного клапана 7 удерживается на предельном моменте закрытия, объемом всасываемого воздуха больше нельзя будет управлять изменением момента закрытия впускного клапана 7.

Следовательно, объем всасываемого воздуха должен управляться некоторым другим способом.

В варианте осуществления, показанном на фиг.9, в это же время, т.е. в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка L₂ на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, используется дроссельная заслонка 17, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания. Однако, если использовать дроссельную заслонку 17, чтобы управлять объемом всасываемого воздуха, как показано на фиг.9, насосная потеря увеличивается.

Для того чтобы предотвратить насосную потерю, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка L₂ на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, дроссельная заслонка 17 удерживается полностью открытой или в значительной степени полностью открытой. В этом состоянии чем ниже нагрузка на двигатель, тем большим может быть сделано соотношение воздух-топливо. В это же время топливная форсунка 13 предпочтительно размещается в камере 5 сгорания, чтобы выполнять послойное сгорание.

Как показано на фиг.9, во время низкой скорости вращения двигателя, несмотря на нагрузку на двигатель, фактическая степень сжатия удерживается, по существу, постоянной. Фактическая степень сжатия в это время удерживается в диапазоне фактической степени сжатия приблизительно во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке ±10 процентов, предпочтительно + 5 процентов. В варианте осуществления согласно настоящему изобретению фактическая степень сжатия во время низкой скорости вращения двигателя сделана приблизительно 10±1, т.е. от 9 до 11. Однако, если скорость вращения двигателя повышается, воздушно-топливная смесь в камере 5 сгорания нарушается, таким образом, детонация становится затруднительной, следовательно, в варианте осуществления согласно настоящему изобретению, чем выше скорость вращения двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.

С другой стороны, как объяснено выше, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на фиг.8(В), степень расширения сделана равной 26. Чем выше эта степень расширения, тем лучше, но, если она равна 20 или более, может быть получен достаточно высокий теоретический термический КПД. Следовательно, в настоящем изобретении механизм А переменной степени сжатия сформирован так, что степень расширения становится равной 20 или более.

Кроме того, в примере, показанном на фиг.9, механическая степень сжатия изменяется непрерывно в соответствии с нагрузкой на двигатель. Однако механическая степень сжатия может также изменяться поэтапно в соответствии с нагрузкой на двигатель.

С другой стороны, как показано прерывистой линией на фиг.9, даже если перенести с опережением момент закрытия впускного клапана 7, когда нагрузка на двигатель становится ниже, объем всасываемого воздуха может управляться независимо от дроссельной заслонки 17. Следовательно, на фиг.9, если исчерпывающе выражать и случай, показанный сплошной линией, и случай, показанный прерывистой линией, в варианте осуществления согласно настоящему изобретению, момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается, когда нагрузка на двигатель понижается, в направлении от нижней мертвой точки BDC впуска до предельного момента L₂ закрытия, обеспечивая управление объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Далее, сфокусируемся на времени работы при низкой нагрузке, где выполняется цикл с высокой степенью расширения, как показано на фиг.8(В), чтобы объяснить момент открытия впускного клапана 7.

Фиг.10(А) показывает изменение в подъеме впускного клапана 7, изменение в подъеме выпускного клапана 9 и линию столкновения с поршнем, показывающую границу, где впускной клапан 7 или выпускной клапан 9 сталкивается с поршнем 4, когда механическая степень сжатия высока во время работы двигателя с низкой нагрузкой. На фиг.10(А), когда кривая подъема выпускного клапана 9 пересекается с линией столкновения с поршнем, выпускной клапан 9 сталкивается с поршнем 4, в то время как, когда кривая подъема впускного клапана 7 пересекается с линией столкновения с поршнем, впускной клапан 7 сталкивается с поршнем 4.

Следовательно, на фиг.10(А), область θ без столкновения клапанов и поршня относительно момента открытия впускного клапана 7, где впускной клапан 7 не будет сталкиваться с поршнем 4, становится приблизительно в верхней мертвой точке (TDC) впуска. Таким образом, в настоящем изобретении момент открытия впускного клапана 7 установлен в этой области θ без столкновения клапанов и поршня.

С другой стороны, если впускной клапан 7 открывается после верхней мертвой точки впуска, внутри камеры 5 сгорания возникает вакуумметрическое давление и соответственно возникает насосная потеря, пока впускной клапан открывается. Эта насосная потеря становится большей, чем больше момент открытия впускного клапана 7 задерживается от верхней мертвой точки впуска. Следовательно, в настоящем изобретении намеченный момент открытия впускного клапана 7 сохраняется приблизительно в верхней мертвой точке впуска, предпочтительно слегка перед верхней мертвой точкой впуска в области θ без столкновения клапанов и поршня.

Кроме того, когда механическая степень сжатия высока во время работы двигателя при низкой нагрузке, объем всасываемого воздуха, который должен быть подан внутрь камеры 5 сгорания, уменьшается. Следовательно, в это же время, как показано сплошной линией на фиг.10(А), момент закрытия впускного клапана 7 значительно задерживается, или, как показано прерывистой линией на фиг.10(А), момент закрытия впускного клапана 7 значительно опережается. В варианте осуществления согласно настоящему изобретению момент закрытия выпускного клапана 9 фиксирован, по существу, в верхней мертвой точке впуска.

С другой стороны, фиг.10(В) показывает изменение в подъеме впускного клапана 7, изменение в подъеме выпускного клапана 9 и линию столкновения с поршнем в определенном рабочем состоянии во время работы двигателя со средней и высокой скоростью вращения, средней и высокой нагрузкой. Во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой механическая степень сжатия становится меньше, таким образом, линия столкновения с поршнем повышается. Следовательно, в это же время необязательно заботиться о столкновении с поршнем 4. Кроме того, во время рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), момент открытия впускного клапана 7 наступает значительно раньше достижения верхней мертвой точки (TDC) впуска, а момент закрытия впускного клапана 7 переносится на более ранний момент по сравнению со случаем, показанным сплошной линией на фиг.10(А), и задерживается по сравнению со случаем, показанным прерывистой линией на фиг.10(А).

Однако, как объяснено выше, во время рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), момент открытия впускного клапана 7 наступает значительно раньше достижения верхней мертвой точки впуска, тогда как во время рабочего состояния, показанного на фиг.10(А), момент открытия впускного клапана 7 наступает, по существу, в верхней мертвой точке впуска. Следовательно, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(А), момент открытия впускного клапана 7 должен быть отложен, тогда как, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(А), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(В), момент открытия впускного клапана 7 должен быть перенесен на более ранний момент.

С другой стороны, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(А), момент закрытия впускного клапана 7 изменяется, чтобы уменьшить объем всасываемого воздуха, который должен быть подан внутрь камеры 5 сгорания, и повысить механическую степень сжатия, тогда как, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(А), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(В), подобным образом момент закрытия впускного клапана изменяется, чтобы увеличить объем всасываемого воздуха, который должен быть подан внутрь камеры 5 сгорания, и уменьшить механическую степень сжатия.

Однако, как объяснено выше, при уменьшении объема всасываемого воздуха, который должен быть подан внутрь камеры 5 сгорания, и повышении механической степени сжатия, если механическая степень сжатия повышена прежде, чем объем всасываемого воздуха достаточно уменьшен, т.е. пока количество всасываемого воздуха велико, фактическая степень сжатия станет высокой, и, соответственно, возникнет детонация. С другой стороны, как объяснено выше, при увеличении объема всасываемого воздуха, который должен быть подан внутрь камеры 5 сгорания, и уменьшении механической степени сжатия, если увеличивать объем всасываемого воздуха, пока механическая степень сжатия не упала, фактическая степень сжатия станет высокой, и, соответственно, возникнет детонация.

В варианте осуществления согласно настоящему изобретению, чтобы предотвратить возникновение этой детонации, обеспечивается задержка по времени между срабатыванием механизма А переменной степени сжатия и срабатыванием механизма В регулирования фаз газораспределения. Далее, это будет объяснено со ссылкой на фиг.11 и фиг.12, беря в качестве примера предположение, что величина подъема впускного клапана 7 равна величине подъема, показанной сплошной линией на фиг.10(А) во время работы двигателя при низкой нагрузке.

Фиг.11 показывает изменение момента 10 открытия впускного клапана 7, изменение момента 1C закрытия впускного клапана и изменение механической степени сжатия, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(А). На фиг.11(В) показано рабочее состояние, соответствующее фиг.10(В), тогда как на фиг.11(А) показано рабочее состояние, соответствующее фиг.10(А).

Следует отметить, что на фиг.11 показан случай, когда операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 и операция изменения момента IC закрытия посредством механизма В регулирования фаз газораспределения одновременно начинаются и одновременно заканчиваются, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(В), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(А).

Согласно фиг. 11, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы на средней и высокой скорости и средней и высокой нагрузке, показанной на фиг.10(В), на работу при низкой нагрузке, показанную на фиг.10(А), в примере, показанном в (I), операция изменения механической степени сжатия, т.е. операция ее повышения, начинается после того, как момент IO открытия впускного клапана 7 становится намеченным моментом открытия в области θ без столкновения клапанов и поршня. С другой стороны, в примере, показанном в (II), операция изменения механической степени сжатия, т.е., операция ее повышения, начинается после того, как начата операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7, и перед тем, как момент IO открытия впускного клапана 7 становится намеченным моментом открытия в области θ без столкновения клапанов и поршня. Кроме того, в примере, показанном в (III), операция изменения механической степени сжатия начинается, когда начата операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7, но в это же время скорость изменения механической степени сжатия замедлена.

Если исчерпывающе выражать операции изменения механической степени сжатия, показанные в (I), (II) и (III) на фиг.11, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы со средней и высокой скоростью, средней и высокой нагрузкой, показанной на фиг.10(В), на работу с низкой нагрузкой, показанную на фиг.10(А), операция изменения механической степени сжатия задерживается относительно операции изменения момента IO открытия впускного клапана 7, так что механическая степень сжатия становится максимальной, после того как момент IO открытия впускного клапана 7 становится намеченным моментом открытия в области θ без столкновения клапанов и поршня.

Если операция изменения механической степени сжатия задерживается относительно операции изменения момента IO открытия впускного клапана 7 в этом способе, механическая степень сжатия не повышается прежде, чем будет уменьшен объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, соответственно, детонация может быть предотвращена.

На фиг.12 показано изменение момента IO открытия впускного клапана, изменение момента IC закрытия впускного клапана 7 и изменение механической степени сжатия, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(А), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(В). На фиг.11(А) показано рабочее состояние, соответствующее фиг.10(А), тогда как 11(В) показывает рабочее состояние, соответствующее фиг.10(В).

На фиг.12, подобно фиг.11, также показан случай, когда механизм В регулирования фаз газораспределения используется так, что операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 и операция изменения момента IC закрытия одновременно начинаются и одновременно заканчиваются, когда рабочее состояние двигателя изменяется с рабочего состояния, показанного на фиг.10(А), на рабочее состояние, показанное на фиг.10(В).

Согласно Фиг. 12, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, показанной на фиг.10(А), на работу при средней и высокой скорости со средней и высокой нагрузкой, показанную на фиг.10(В), в примере, показанном в (I), операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 начинается после того, как механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия в соответствии с рабочим состоянием двигателя. С другой стороны, в примере, показанном в (I), операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 начинается, пока механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия в соответствии с рабочим состоянием двигателя. Кроме того, в примере, показанном в (III), операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 начинается, пока механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия в соответствии с рабочим состоянием двигателя, но в этом примере скорость изменения механической степени сжатия, т.е. скорость падения замедляется, когда начинается операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7.

Если исчерпывающе выражать операции изменения механической степени сжатия, показанные в (I), (II) и (III) на фиг.12, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, показанной на фиг.10(А), на работу при средней и высокой скорости со средней и высокой нагрузкой, показанную на фиг.10(В), операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7 начинается после того, как начата операция изменения механической степени сжатия для уменьшения механической степени сжатия.

В этом способе, если операция изменения момента открытия впускного клапана начинается после того, как начата операция изменения механической степени сжатия, когда механическая степень сжатия высока, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, не будет увеличиваться, и, следовательно, детонация может быть предотвращена.

Фиг.13 показывает то, что если величина изменения нагрузки на двигатель невелика, то, следовательно, изменения момента IO открытия впускного клапана 7, момента IC закрытия впускного клапана 7 и механической степени сжатия являются небольшими. В это же время, как показано на фиг.13, операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7, операция изменения момента IC закрытия впускного клапана 7 и операция изменения механической степени сжатия одновременно начинаются и, по существу, одновременно заканчиваются.

Согласно фиг.14 намеченный момент IO открытия впускного клапана 7 сохраняется в качестве функции нагрузки L на двигатель и скорости N двигателя в форме соответствия, как показано на фиг.14(А), заранее в ПЗУ 32. Кроме того, намеченный момент IC закрытия впускного клапана 7, требуемый для подачи требуемого количества воздуха в камеру 5 сгорания, сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N двигателя в форме соответствия, как показано на фиг.14(В), заранее в ПЗУ 32.

С другой стороны, фиг.14(D) показывает соотношение между намеченной фактической степенью сжатия для скоростей N₁, N₂, N₃, N₄ двигателя (N₁<N₂<N₃<N₄) и нагрузкой L на двигатель. Как объяснено выше, как показано посредством N₁ на фиг.14(D), во время низкой скорости вращения двигателя намеченная фактическая степень сжатия удерживается, по существу, постоянной, несмотря на нагрузку L на двигатель, и намеченная фактическая степень сжатия становится тем выше, чем выше скорость вращения двигателя. Механическая степень CR сжатия, требуемая для создания из фактической степени сжатия этой намеченной степени сжатия, сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N двигателя в форме соответствия, которое показано на фиг.14(С), заранее в ПЗУ 32.

Далее, работа управляющей программы будет объяснена со ссылкой на фиг.15.

Как показано на фиг.15, сначала, на этапе 100, оценивается, выше ли нагрузка L на двигатель, чем нагрузка L₂, показанная на фиг.9. Когда L≥L₂, программа переходит к этапу 101, где соответствие, показанное на фиг.14(А), используется, чтобы вычислить момент IO открытия впускного клапана 7, а соответствие, показанное на фиг.14(В), используется, чтобы вычислить момент IC закрытия впускного клапана 7. Далее, программа переходит к этапу 104. Как противоположность этому, когда оценивается на этапе 100, что L<L₂, программа переходит к этапу 102, где момент закрытия впускного клапана 7 сделан предельным моментом закрытия, затем, на этапе 103, объем всасываемого воздуха управляется дроссельной заслонкой 19. Далее, программа переходит к этапу 104.

На этапе 104 оценивается, ниже ли нагрузка L на двигатель, чем нагрузка L₁, показанная на фиг.9. Когда L≥L₁, программа переходит к этапу 105, где соответствие, показанное на фиг.14(С), используется, чтобы вычислить механическую степень CR сжатия. Далее, программа переходит к этапу 107. С другой стороны, когда оценивается на этапе 104, что L<L₁, программа переходит к этапу 106, где механическая степень CR сжатия является предельной механической степенью сжатия. Далее, программа переходит к этапу 107.

На этапе 107 оценивается, больше ли абсолютное значение |ΔL| величины изменения ΔL нагрузки на двигатель, чем установленное значение XL. Когда |ΔL|>XL, программа переходит к этапу 104, где оценивается, является ли величина изменения ΔL нагрузки на двигатель отрицательной. Когда ΔL<0, т.е. когда нагрузка на двигатель падает на установленное значение XL или более, программа переходит к этапу 109, где момент IO открытия и момент IC закрытия впускного клапана 7 изменяются, как показано на фиг.11, посредством приведения в действие механизма В регулирования фаз газораспределения, и шаблон изменения любого из (I), (II) и (III) на фиг.11 используется, чтобы изменить механическую степень сжатия посредством приведения в действие механизма А переменной степени сжатия, задержанного для операции изменения момента IO открытия и момента IC закрытия впускного клапана 7.

В противоположность этому, когда оценивается на этапе 108, что ΔL>0, т.е. когда нагрузка на двигатель увеличивается на установленное значение XL или более, программа переходит к этапу 110, где шаблон изменения любого из (I), (II) и (III) на фиг.12 используется, чтобы изменить механическую степень сжатия посредством приведения в действие механизма А переменной степени сжатия. Как показано на фиг.12, момент IO открытия и момент IC закрытия впускного клапана 7 изменяются посредством приведения в действие механизма В регулирования фаз газораспределения, задержанного относительно операции изменения механической степени сжатия.

С другой стороны, когда оценивается на этапе 107, что |ΔL|≤XL, т.е. когда величина изменения ΔL нагрузки на двигатель мала, программа переходит к этапу 111, где, как показано на фиг.13, операция изменения момента IO открытия впускного клапана 7, операция изменения момента IC закрытия впускного клапана 7 и операция изменения механической степени сжатия одновременно начинаются и, по существу, одновременно заканчиваются посредством приведения в действие механизма А переменной степени сжатия и механизма В регулирования фаз газораспределения.

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с зажиганием искрового типа. ДВС с зажиганием искрового типа содержит механизм переменной степени сжатия и механизм регулирования фаз газораспределения. Механизм переменной степени сжатия выполнен с возможностью изменения механической степени сжатия. Механизм регулирования фаз газораспределения выполнен с возможностью индивидуального управления моментом открытия и моментом закрытия впускного клапана. Во время работы ДВС при низкой нагрузке механическая степень сжатия устанавливается максимальной. За счет установки максимальной механической степени сжатия при работе ДВС при низкой нагрузке, достигается максимальная степень расширения, равная 20 или более. Во время работы ДВС при низкой нагрузке момент закрытия впускного клапана смещается в направлении от нижней мертвой точки впуска, а момент открытия впускного клапана удерживается на намеченном моменте открытия. Намеченным моментом открытия, по существу, является верхняя мертвая точка впуска. Намеченный момент открытия удерживается в области без столкновения клапанов и поршня. Поршень не сталкивается с клапаном, по меньшей мере, в течение времени, когда механическая степень сжатия является максимальной. Технический результат заключается в предотвращении столкновения впускного клапана с поршнем, предотвращении возникновения насосной потери и в получении высокого термического КПД. 19 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа, содержащий механизм переменной степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, и механизм регулирования фаз газораспределения, выполненный с возможностью индивидуального управления моментом открытия и моментом закрытия впускного клапана, причем момент закрытия впускного клапана смещается в направлении от нижней мертвой точки впуска при более низкой нагрузке на двигатель, чтобы подавать в камеру сгорания объем всасываемого воздуха в соответствии с требуемой нагрузкой, при этом механическая степень сжатия устанавливается максимальной, так что максимальная степень расширения, равная 20 или более, достигается во время работы двигателя при низкой нагрузке, и момент открытия впускного клапана удерживается на намеченном моменте открытия, по существу, в верхней мертвой точке впуска в области без столкновения клапанов и поршня, причем поршень не сталкивается с клапаном по меньшей мере в течение времени, когда механическая степень сжатия является максимальной.

2. Двигатель по п.1, в котором фактическая степень сжатия во время работы двигателя при низкой нагрузке является фактической степенью сжатия, по существу, такой же, что и во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке.

3. Двигатель по п.2, в котором при низкой скорости вращения двигателя, независимо от нагрузки на двигатель, фактическая степень сжатия находится в диапазоне около ±10% относительно фактической степени сжатия во время работы двигателя при средней и высокой нагрузке.

4. Двигатель по п.2, в котором, чем выше скорость вращения двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.

5. Двигатель по п.1, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия задерживается относительно операции изменения момента открытия впускного клапана, так что механическая степень сжатия становится максимальной после того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

6. Двигатель по п.5, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия начинается после того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

7. Двигатель по п.5, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, операция изменения механической степени сжатия начинается после того, как началась операция изменения момента открытия впускного клапана, и до того, как момент открытия впускного клапана становится намеченным моментом открытия в области без столкновения клапанов и поршня.

8. Двигатель по п.5, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой на работу при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, скорость изменения механической степени сжатия задерживается.

9. Двигатель по п.1, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается после того, как началась операция изменения механической степени сжатия до более низкой механической степени сжатия.

10. Двигатель по п.9, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается после того, как механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия согласно рабочему состоянию двигателя.

11. Двигатель по п.9, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, операция изменения момента открытия впускного клапана начинается, пока механическая степень сжатия падает до намеченной механической степени сжатия согласно рабочему состоянию двигателя.

12. Двигатель по п.9, в котором, когда рабочее состояние двигателя меняется с работы при низкой нагрузке, при которой механическая степень сжатия является максимальной, на работу при средней и высокой скорости вращения со средней и высокой нагрузкой, скорость изменения механической степени сжатия задерживается, если началась операция изменения момента открытия впускного клапана.

13. Двигатель по п.1, в котором момент закрытия впускного клапана понижается, когда нагрузка на двигатель снижается в направлении от нижней мертвой точки впуска до тех пор, пока предельный момент закрытия разрешает управление объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

14. Двигатель по п.13, в котором в области нагрузки, более высокой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, управляется посредством изменения момента закрытия впускного клапана независимо от дроссельной заслонки, предусмотренной во впускном канале двигателя.

15. Двигатель по п.14, в котором в области нагрузки, более высокой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, дроссельная заслонка удерживается в полностью открытом состоянии.

16. Двигатель по п.13, в котором в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, управляется дроссельной заслонкой, предусмотренной во впускном канале двигателя.

17. Двигатель по п.13, в котором в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, чем ниже нагрузка, тем больше устанавливается соотношение воздух-топливо.

18. Двигатель по п.13, в котором в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана достигает предельного момента закрытия, момент закрытия впускного клапана удерживается в предельном моменте закрытия.

19. Двигатель по п.1, в котором механическая степень сжатия повышается, когда нагрузка на двигатель становится более низкой, до предельной механической степени сжатия.

20. Двигатель по п.19, в котором в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия удерживается в предельной механической степени сжатия.