СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ И МОМЕНТА НАЧАЛА ДЕЙСТВИЯ ФАКТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ADJUSTING MECHANICAL COMPRESSION RATIO AND ACTUAL COMPRESSION RATIO START POINT (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к способу регулирования механической степени сжатия и момента начала действия фактического сжатия.
В данной области техники известен двигатель внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа, снабженный механизмом переменной степени сжатия, способным изменять механическую степень сжатия, и механизмом переменного момента срабатывания клапана, способным регулировать момент закрывания впускного клапана, выполняя действие наддува нагнетателем во время работы двигателя со средней нагрузкой и работы двигателя с высокой нагрузкой и увеличивая механическую степень сжатия и задерживая момент закрывания впускного клапана, когда нагрузка на двигатель становится ниже во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой в состоянии удерживания фактической степени сжатия на постоянном уровне (например, см. публикацию патента Японии №2004-218522).
Однако в этом двигателе внутреннего сгорания, даже во время работы двигателя с низкой нагрузкой механическая степень сжатия является высокой, и момент закрывания впускного клапана задерживается; но выше или ниже механическая степень сжатия, чем во время работы двигателя со средней нагрузкой, неясно, и позже или раньше момент закрывания впускного клапана, чем во время работы двигателя со средней нагрузкой, неясно. Кроме того, в этом двигателе внутреннего сгорания также неясно, выше или ниже фактическая степень сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой, чем во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой.
Кроме того, вообще говоря, в двигателе внутреннего сгорания чем ниже нагрузка на двигатель, тем хуже термический к.п.д.; таким образом, для улучшения термического к.п.д. во время работы транспортного средства, то есть для уменьшения расхода топлива, становится необходимо улучшить термический к.п.д. во время работы двигателя с низкой нагрузкой. Однако в двигателе внутреннего сгорания, чем больше степень расширения, тем дольше период, в течение которого действует сила, давящая вниз на поршень во время хода расширения, и, таким образом, чем больше степень расширения, тем больше улучшается термический к.п.д. С другой стороны, при повышении степени сжатия двигателя степень расширения становится выше. Таким образом, для повышения термического к.п.д. во время работы двигателя предпочтительно повысить механическую степень сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой в максимально возможной степени для получения максимальной степени расширения во время работы двигателя с низкой нагрузкой.
Однако в вышеупомянутом известном двигателе внутреннего сгорания сделана ли механическая степень сжатия настолько высокой, насколько возможно, для получения максимальной степени расширения во время работы двигателя с низкой нагрузкой, неясно. Кроме того, в двигателе внутреннего сгорания, снабженном механизмом переменной степени сжатия, способным изменять механическую степень сжатия, и механизмом переменного момента срабатывания клапана, способным регулировать момент закрывания впускного клапана, обычно фактическая степень сжатия также увеличивается при увеличении механической степени сжатия. То есть обычно для увеличения степени сжатия увеличивают механическую степень сжатия. Это происходит потому, что представляется, что в это время нет смысла, если фактическая степень сжатия не увеличена.
Однако если фактическая степень сжатия увеличивается, происходит детонация, в результате чего фактическая степень сжатия не может быть значительно повышена. Таким образом, в прошлом, поскольку даже если повышать механическую степень сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой, фактическая степень сжатия не могла бы по существу повышаться, и механическую степень сжатия никогда не делали настолько высокой. В результате в прошлом существовала проблема того, что достаточно высокая степень расширения не могла быть получена во время работы двигателя с низкой нагрузкой, и, соответственно, хороший расход топлива не мог быть получен с соразмерно увеличенной сложностью конструкции.
Целью настоящего изобретения является получение способа регулирования механической степени сжатия и момента начала действия фактического сжатия, способного улучшить термический к.п.д. во время работы транспортного средства и обеспечить хороший расход топлива.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ регулирования механической степени сжатия при помощи механизма переменной степени сжатия и регулирования момента начала действия фактического сжатия при помощи механизма изменения начала действия фактического сжатия в двигателе внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа. Согласно способу степень расширения устанавливают на уровне максимальной степени расширения, составляющей 20 или более посредством создания максимальной механической степени сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой и во время работы двигателя с малой скоростью, причем фактическую степень сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой задают в диапазоне ±10% относительно фактической степени сжатия во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой.
Предпочтительно, чем выше скорость двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.
Предпочтительно, механизм изменения момента начала действия фактического сжатия состоит из механизма переменного момента срабатывания клапана, выполненного с возможностью регулирования момента закрывания впускного клапана.
Предпочтительно, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют посредством изменения момента закрывания впускного клапана.
Предпочтительно, момент закрывания впускного клапана смещается, когда нагрузка на двигатель становится ниже в направлении от нижней мертвой точки сжатия до предельного момента закрывания, допуская регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая выше, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют посредством изменения момента закрывания впускного клапана без зависимости от дроссельного клапана, расположенного во впускном канале двигателя.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая выше, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, дроссельный клапан остается в полностью открытом состоянии.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют дроссельным клапаном, расположенным во впускном канале двигателя.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, чем ниже нагрузка, тем больше устанавливается соотношение топливовоздушной смеси.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, момент закрывания впускного клапана сохраняется на уровне предельного момента закрывания.
Предпочтительно, механическую степень сжатия увеличивают, когда нагрузка на двигатель становится ниже, до предельной механической степени сжатия.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия сохраняется на уровне предельной механической степени сжатия.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ регулирования механической степени сжатия при помощи механизма переменной степени сжатия и регулирования момента закрывания впускного клапана при помощи механизма переменного момента срабатывания клапана в двигателе внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа. Согласно способу степень расширения устанавливают на уровне максимальной степени расширения, составляющей 20 или более, посредством создания максимальной механической степени сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой, и количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют главным образом посредством изменения момента закрывания впускного клапана.
Предпочтительно, дроссельный клапан остается в по существу полностью открытом состоянии, когда количество всасываемого воздуха регулируют главным образом посредством изменения момента закрывания впускного клапана.
Предпочтительно, фактическую степень сжатия во время работы двигателя с низкой нагрузкой задают на уровне фактической степени сжатия, по существу такой же, как во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой.
Предпочтительно, чем выше скорость двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.
Предпочтительно, момент закрывания впускного клапана смещается, когда нагрузка на двигатель становится ниже, в направлении от нижней мертвой точки сжатия, пока не будет достигнут предельный момент закрывания, допускающий регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая выше, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют посредством изменения момента закрывания впускного клапана без зависимости от дроссельного клапана, расположенного во впускном канале двигателя.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая выше, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, дроссельный клапан остается в полностью открытом состоянии.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, регулируют дроссельным клапаном, расположенным во впускном канале двигателя.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, чем ниже нагрузка, тем больше устанавливают соотношение топливовоздушной смеси.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана достигает предельного момента закрывания, момент закрывания впускного клапана остается на уровне предельного момента закрывания.
Предпочтительно, механическую степень сжатия увеличивают, когда нагрузка на двигатель становится ниже, до предельной механической степени сжатия.
Предпочтительно, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия сохраняется на уровне предельной механической степени сжатия.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - общее представление двигателя внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа.
Фиг.2 - вид в перспективе с пространственным разнесением деталей механизма переменной степени сжатия.
Фиг.3 - вид сбоку в сечении показанного двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.4 - вид механизма переменного момента срабатывания клапана.
Фиг.5 - вид, показывающий величины подъема впускного клапана и выпускного клапана.
Фиг.6 - вид для описания степени сжатия двигателя, фактической степени сжатия и степени расширения.
Фиг.7 - вид, показывающий зависимость между теоретическим термическим к.п.д. и степенью расширения.
Фиг.8 - вид для описания обычного цикла и цикла сверхвысокой степени расширения.
Фиг.9 - вид, показывающий изменение механической степени сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.
Фиг.10 - блок-схема последовательности операций рабочего управления.
Фиг.11 - вид, показывающий целевую фактическую степень сжатия и т.д.
На фиг.1 показан вид сбоку в сечении двигателя внутреннего сгорания с зажиганием искрового типа.
На фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен картер двигателя, ссылочной позицией 2 обозначен блок цилиндров, ссылочной позицией 3 обозначена головка цилиндра, ссылочной позицией 4 обозначен поршень, ссылочной позицией 5 обозначена камера сгорания, ссылочной позицией 6 обозначена свеча зажигания, расположенная в верхней центральной части камеры 5 сгорания, ссылочной позицией 7 обозначен впускной клапан, ссылочной позицией 8 обозначен впускной канал, ссылочной позицией 9 обозначен выпускной клапан и ссылочной позицией 10 обозначен выпускной канал. Впускной канал 8 соединен через впускной патрубок 11 со сглаживающим ресивером 12, в то время как каждый впускной патрубок 11 снабжен топливной форсункой 13 для впрыскивания топлива в соответствующий впускной канал 8. Следует отметить, что каждая топливная форсунка 13 может быть расположена в каждой камере 5 сгорания вместо присоединения к каждому впускному патрубку 11.
Сглаживающий ресивер 12 соединен через впускной канал 14 с воздушным фильтром 15, в то время как впускной канал 14 снабжен расположенным в нем дроссельным клапаном 17, приводимым в действие приводом 16, и детектором 18 количества всасываемого воздуха с использованием, например, нити накала. С другой стороны, выпускной канал 10 соединен через выпускной коллектор 19 с каталитическим дожигателем 20 выхлопных газов, содержащим, например, трехходовой катализатор, в то время как выпускной коллектор 19 снабжен расположенным внутри него датчиком 21 соотношения топливовоздушной смеси.
С другой стороны, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, применена соединительная часть картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров с механизмом А переменной степени сжатия, способным изменять относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в осевом направлении цилиндра таким образом, чтобы изменять объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке сжатия, и, кроме того, применен механизм В изменения момента начала действия фактического сжатия, способный изменять момент начала действия фактического сжатия. Следует отметить, что в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, этот механизм В изменения момента начала действия фактического сжатия состоит из механизма переменного момента срабатывания клапана, способного регулировать момент закрывания впускного клапана 7.
Электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, снабженного компонентами, соединенными друг с другом через двунаправленную шину 31, такими как постоянное запоминающее устройство 32, оперативное запоминающее устройство 33, центральный процессор (микропроцессор) 34, порт 35 ввода и порт 36 вывода. Выходной сигнал детектора 18 количества впускаемого воздуха и выходной сигнал датчика 21 соотношения топливовоздушной смеси поступают через соответствующие аналого-цифровые преобразователи 37 в порт 35 ввода. Кроме того, педаль 40 акселератора соединена с датчиком 41 нагрузки, генерирующим выходное напряжение, пропорциональное величине L нажатия на педаль 40 акселератора. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки поступает через соответствующий аналого-цифровой преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота коленчатого вала, генерирующим выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 30°. С другой стороны, порт 36 вывода соединен через схему 38 возбуждения со свечой 6 зажигания, топливной форсункой 13, приводом 16 дроссельного клапана, механизмом А переменной степени сжатия и механизмом В переменного момента срабатывания клапана.
На фиг.2 показан вид в перспективе с пространственным разнесением деталей механизма переменной степени сжатия, показанного на фиг.1, в то время как на фиг.3 показан вид сбоку в сечении показанного двигателя внутреннего сгорания. Как показано на фиг.2, у основания двух боковых стенок блока 2 цилиндров сформировано множество выступающих частей 50, отнесенных друг от друга на некоторое расстояние. Каждая выступающая часть 50 сформирована с отверстием 51 круглого сечения для вставки кулачкового вала. С другой стороны, верхняя поверхность картера 1 двигателя сформирована с множеством выступающих частей 52, отнесенных друг от друга на некоторое расстояние и вставляемых между соответствующими выступающими частями 50. Эти выступающие части 52 также сформированы с отверстиями 53 круглого сечения для вставки кулачкового вала.
Как показано на фиг.2, применяется пара кулачковых валов 54, 55. Каждый из кулачковых валов 54, 55 имеет зафиксированные на нем круглые кулачки 56, способные вставляться с возможностью вращения в отверстия 51 для вставки кулачкового вала в чередующемся положении. Эти круглые кулачки 56 соосны с осями вращения кулачковых валов 54, 55. С другой стороны, между круглыми кулачками 56, как показано штриховыми линиями на фиг.3, проходят валы 57 эксцентрика, расположенные эксцентрично относительно осей вращения кулачковых валов 54, 55. Каждый вал 57 эксцентрика имеет другие круглые кулачки 58, с возможностью вращения эксцентрично прикрепленные к нему. Как показано на фиг.2, эти круглые кулачки 58 расположены между круглыми кулачками 56. Эти круглые кулачки 58 с возможностью вращения вставлены в соответствующие отверстия 53 для вставки кулачкового вала.
Когда круглые кулачки 56, прикрепленные к кулачковым валам 54, 55, вращаются в противоположных направлениях, как показано стрелками со сплошной линией на фиг.3(А), из состояния, показанного на фиг.3(А), валы 57 эксцентрика перемещаются в нижнее центральное положение таким образом, что круглые кулачки 58 вращаются в противоположных направлениях относительно круглых кулачков 56 в отверстиях 53 для вставки кулачкового вала, как показано стрелками с прерывистой линией на фиг.3(А). Как показано на фиг.3(В), когда валы 57 эксцентрика перемещаются в нижнее центральное положение, центры круглых кулачков 58 перемещаются ниже валов 57 эксцентрика.
Как будет понятно при сравнении фиг.3(А) и фиг.3(В), относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров определены расстоянием между центрами круглых кулачков 56 и центрами круглых кулачков 58. Чем больше расстояние между центрами круглых кулачков 56 и центрами круглых кулачков 58, тем дальше блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. Если блок 2 цилиндров перемещается от картера 1 двигателя, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен так, что верхняя мертвая точка сжатия повышается, и, таким образом, при вращении кулачковых валов 54, 55, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке сжатия, может изменяться.
Как показано на фиг.2, чтобы кулачковые валы 54, 55 вращались в противоположных направлениях, вал приводного электродвигателя 59 снабжен парой червячных передач 61, 62 с противоположными направлениями резьбы. Зубчатые колеса 63, 64, входящие в зацепление с этими червячными передачами 61, 62, прикреплены к концам кулачковых валов 54, 55. В этом варианте осуществления изобретения приводной электродвигатель 59 может приводиться в действие для изменения объема камеры 5 сгорания, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке сжатия в широком диапазоне. Следует отметить, что механизм А переменной степени сжатия, показанный на фиг.1-3, показан как пример. Может использоваться любой тип механизма переменной степени сжатия.
С другой стороны, на фиг.4 показан механизм В переменного момента срабатывания клапана, соединенный с концом кулачкового вала 70 для приведения в действие впускного клапана 7, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.4, этот механизм В переменного момента срабатывания клапана снабжен зубчатым шкивом 71, вращаемым коленчатым валом двигателя при помощи зубчатого ремня в направлении, показанном стрелкой, цилиндрическим корпусом 72, который вращается вместе с зубчатым шкивом 71, валом 73, способным вращаться вместе с кулачковым валом 70 привода впускного клапана и вращаться относительно цилиндрического корпуса 72, множеством перегородок 74, проходящих от внутренней окружности цилиндрического корпуса 72 к внешней окружности вала 73, и лопастями 75, проходящими между перегородками 74 от внешней окружности вала 73 к внутренней окружности цилиндрического корпуса 72, причем две стороны лопастей 75 сформированы с гидравлическими камерами 76 для опережения и гидравлическими камерами 77 для задержки.
Подача рабочей жидкости к гидравлическим камерам 76, 77 регулируется клапаном 85 регулирования подачи рабочей жидкости. Этот клапан 85 регулирования подачи рабочей жидкости снабжен гидравлическими каналами 78, 79, соединенными с гидравлическими камерами 76, 77 питающим каналом 81 для рабочей жидкости, выходящей из гидравлического насоса 80, парой дренажных каналов 82, 83 и золотниковым клапаном 84 для управления соединением и разъединением каналов 78, 79, 81, 82, 83.
Для опережения фазы кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана 70, как показано на фиг.4, золотниковый клапан 84 перемещается вправо, рабочая жидкость, подаваемая из питающего канала 81, поступает через гидравлический канал 78 в гидравлические камеры 76 для опережения, и рабочая жидкость в гидравлических камерах 77 для задержки сливается через дренажный канал 83. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, показанном стрелкой.
В противоположность этому, для задержки фазы кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана, как показано на фиг.4, золотниковый клапан 84 перемещается влево, рабочая жидкость, подаваемая из питающего канала 81, поступает через гидравлический канал 79 в гидравлические камеры 77 для задержки, и рабочая жидкость в гидравлических камерах 76 для опережения сливается через дренажный канал 82. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении против стрелок.
Когда вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72, если золотниковый клапан 84 возвращен в нейтральное положение, показанное на фиг.4, действие для относительного вращения вала 73 закончено, и вал 73 в этот момент удерживается в относительном вращательном положении. Таким образом, можно использовать механизм В переменного момента срабатывания клапана для того, чтобы вызывать опережение или задержку фазы кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана на точно желательную величину.
На фиг.5 сплошной линией показано, когда механизм В переменного момента срабатывания клапана используется для максимального опережения фазы кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана, в то время как прерывистая линия показывает, когда он используется для максимальной задержки фазы кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана. Таким образом, время открывания впускного клапана 7 может быть свободно задано между диапазоном, показанным сплошной линией на фиг.5, и диапазоном, показанным прерывистой линией, в результате чего момент закрывания впускного клапана 7 может быть задан на любой угол поворота коленчатого вала в диапазоне, показанном стрелкой С на фиг.5.
Механизм В переменного момента срабатывания клапана, показанный на фиг.1 и 4, является одним примером. Например, может использоваться механизм переменного момента срабатывания клапана или другие различные типы механизмов переменного момента срабатывания клапана, способные изменять только момент закрывания впускного клапана при поддержании постоянного момента открывания впускного клапана. Кроме того, согласно настоящему изобретению механизм В переменного момента срабатывания клапана используется для изменения момента начала действия фактического сжатия таким образом, что даже если не механизм переменного момента срабатывания клапана, может использоваться любая форма механизма изменения момента начала действия фактического сжатия, если механизм изменения момента начала действия фактического сжатия способен изменять момент начала действия фактического сжатия.
Далее со ссылками на фиг.6 будет описано значение терминов, использованных в данной заявке. Следует отметить, что на фиг.6 (А), (В) и (С) с целью пояснения показан двигатель с объемом камер сгорания 50 мл и объемом хода поршня 500 мл. На фиг.6(А), (В) и (С) объем камеры сгорания показывает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке сжатия.
На фиг.6(А) показана механическая степень сжатия. Механическая степень сжатия - это величина, определенная механически по объему хода поршня и объему камеры сгорания во время такта сжатия. Механическая степень сжатия выражена как (объем камеры сгорания + объем хода)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(А), механическая степень сжатия составляет (50 мл+500 мл)/50 мл = 11.
На фиг.6(В) показана фактическая степень сжатия. Фактическая степень сжатия представляет собой величину, определенную по фактическому объему хода поршня от того момента, когда действие сжатия фактически начато, до того момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки и объема камеры сгорания. Эта фактическая степень сжатия выражена как (объем камеры сгорания + фактический объем хода)/объем камеры сгорания. То есть, как показано на фиг.6(В), даже если поршень начинает подниматься в такте сжатия, действие сжатия не осуществляется, пока впускной клапан открыт. Фактическое действие сжатия начинается после закрывания впускного клапана. Таким образом, фактическая степень сжатия выражена следующим образом с использованием фактического объема хода. В примере, показанном на фиг.6(В), фактическая степень сжатия становится (50 мл+450 мл)/50 мл = 10.
На фиг.6(С) показана степень расширения. Степень расширения представляет собой величину, определенную по объему хода поршня во время хода расширения и по объему камеры сгорания. Эта степень расширения выражена как (объем камеры сгорания + объем хода)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(С), степень расширения составляет (50 мл+500 мл)/50 мл=11.
Далее наиболее базовые признаки настоящего изобретения будут описаны со ссылками на фиг.7 и 8. Следует отметить, что на фиг.7 показана зависимость между теоретическим термическим к.п.д. и степенью расширения, в то время как на фиг.8 показано сравнение между обычным циклом и циклом со сверхвысокой степенью расширения, используемыми выборочно в соответствии с нагрузкой согласно настоящему изобретению.
На фиг.8(А) показан обычный цикл, когда впускной клапан закрывается около нижней мертвой точки и действие сжатия поршнем начинается около по существу нижней мертвой точки сжатия. В примере, показанном в этой фиг.8(А), также, таким же образом, как в примерах, показанных на фиг.6(А), (В) и (С), объем камеры сгорания составляет 50 мл и объем хода поршня составляет 500 мл. Как будет понятно при ознакомлении с фиг.8 (А), в обычном цикле механическая степень сжатия составляет (50 мл+500 мл)/50 мл = 11, фактическая степень сжатия также составляет приблизительно 11, и степень расширения также становится (50 мл+500 мл)/50 мл = 11. То есть 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 теоретического термического к.п.д. в случае, когда фактическая степень сжатия и степень расширения по существу равны, то есть в обычном цикле. В этом случае известно, что чем больше степень расширения, то есть выше фактическая степень сжатия, тем выше теоретический термический к.п.д. Таким образом, в обычном цикле для повышения теоретического термического к.п.д. фактическая степень сжатия должна быть сделана выше. Однако вследствие ограничений, связанных с возникновением детонации во время работы двигателя с высокой нагрузкой, фактическая степень сжатия может быть повышена только до максимум приблизительно 12 и, соответственно, в обычном цикле теоретический термический к.п.д. не может быть сделан достаточно высоким.
С другой стороны, в этой ситуации, изобретатели строго дифференцировались между механической степенью сжатия и фактической степенью сжатия и известным теоретическим термическим к.п.д. и в результате обнаружили, что в теоретическом термическом к.п.д. степень расширения является доминирующей, и на теоретический термический к.п.д. вообще мало воздействует фактическая степень сжатия. То есть при повышении фактической степени сжатия повышается взрывная сила, но сжатие требует большой энергии, и, соответственно, даже если повышать фактическую степень сжатия, теоретический термический к.п.д. не будет значительно повышаться.
В противоположность этому, при увеличении степени расширения, чем дольше период, в течение которого действует сила, давящая вниз на поршень во время хода расширения, тем дольше время, в течение которого поршень передает вращательное усилие коленчатому валу. Таким образом, чем большая создается степень расширения, тем выше становится теоретический термический к.п.д. Прерывистая линия на фиг.7 показывает теоретический термический к.п.д. в случае фиксации фактической степени сжатия на уровне 10 и повышения степени расширения в этом состоянии. Таким образом, обнаружено, что величина повышения теоретического термического к.п.д. при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на низком уровне, и величина повышения теоретического термического к.п.д. в случае, когда фактическая степень сжатия увеличена наряду со степенью расширения, как показано сплошной линией на фиг.7, не будут значительно отличаться.
Если фактическая степень сжатия поддерживается на низком уровне, то детонация не будет происходить, и, следовательно, при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на низком уровне, возникновение детонации может быть предотвращено, и теоретический термический к.п.д. может быть значительно повышен. На фиг.8(В) показан пример случая с использованием механизма А переменной степени сжатия и механизма В переменного момента срабатывания клапана для сохранения фактической степени сжатия на низком уровне и повышения степени расширения.
Как показано на фиг.8(В), в этом примере механизм А переменной степени сжатия используется для снижения объема камеры сгорания от 50 мл до 20 мл. С другой стороны, используется механизм В переменного момента срабатывания клапана для задержки момента закрывания впускного клапана, пока фактический объем хода поршня не изменится от 500 мл до 200 мл. В результате в этом примере фактическая степень сжатия становится (20 мл+200 мл)/20 мл = 11, и степень расширения становится (20 мл+500 мл)/20 мл=26. В обычном цикле, показанном на фиг.8(А), как описано выше, фактическая степень сжатия составляет приблизительно 11, и степень расширения составляет 11. По сравнению с этим случаем, в случае, показанном на фиг.8 (В), обнаружено, что только степень расширения повысилась до 26. Это является причиной того, что названо "циклом сверхвысокой степени расширения".
Как описано выше, говоря в целом, в двигателе внутреннего сгорания, чем ниже нагрузка на двигатель, тем хуже термический к.п.д., и таким образом, для улучшения термического к.п.д. во время работы транспортного средства, то есть для улучшения расхода топлива, становится необходимо улучшить термический к.п.д. во время работы двигателя с низкой нагрузкой. С другой стороны, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на фиг.8(В), фактический объем хода поршня во время такта сжатия сделан меньшим таким образом, что количество всасываемого воздуха, который может всасываться в камеру 5 сгорания, становится меньшим, в результате чего этот цикл со сверхвысокой степенью расширения может использоваться, только когда нагрузка на двигатель относительно низка. Таким образом, согласно настоящему изобретению, во время работы двигателя с низкой нагрузкой задан цикл сверхвысокой степени расширения, показанный на фиг.8(В), в то время как при работе двигателя с высокой нагрузкой задается обычный цикл, показанный на фиг.8(А). Это представляет собой основной признак настоящего изобретения.
Далее со ссылками на фиг.9 будет описано управление в целом.
x
На фиг.9 показаны изменения механической степени сжатия, степени расширения, момента закрывания впускного клапана 7, фактической степени сжатия, количества всасываемого воздуха, степени открывания дроссельного клапана 17 и насосные потери наряду с нагрузкой на двигатель. Следует отметить, что в варианте осуществления изобретения обычно среднее соотношение топливовоздушной смеси в камере 5 сгорания регулируется с обратной связью относительно стехиометрического соотношения топливовоздушной смеси на основе выходного сигнала датчика 21 соотношения топливовоздушной смеси таким образом, что трехпутный катализатор в каталитическом преобразователе 20 может одновременно снижать уровень несгоревших углеводородов, СО и NO в отработанном газе.
Теперь, как описано выше, во время работы двигателя с высокой нагрузкой выполняется обычный цикл, показанный на фиг.8(А). Таким образом, как показано на фиг.9, в это время, так как механическая степень сжатия сделана низкой, степень расширения становится низкой. Как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрывания впускного клапана 7 опережает, как показано сплошной линией на фиг.5. Кроме того, в это время количество всасываемого воздуха является большим. В это время степень открывания дроссельного клапана 17 поддерживается на уровне полностью открытого или по существу полностью открытого, таким образом, что насосные потери становятся нулевыми.
С другой стороны, как показано на фиг.9, с понижением нагрузки на двигатель механическая степень сжатия увеличивается, в результате чего степень расширения также увеличивается. Кроме того, в это время момент закрывания впускного клапана 7 задерживается, когда нагрузка на двигатель становится ниже, как показано сплошной линией на фиг.9, так что фактическая степень сжатия сохраняется по существу постоянной. Следует отметить, что в это же время дроссельный клапан 17 остается в полностью открытом или по существу полностью открытом состоянии. Таким образом, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, регулируется не дроссельным клапаном 17, а изменением момента закрывания впускного клапана 7. В это же время насосные потери становятся нулевыми.
Таким образом, когда нагрузка на двигатель становится ниже относительно состояния работы двигателя с высокой нагрузкой, механическая степень сжатия увеличивается наряду с падением количества всасываемого воздуха при по существу постоянной фактической степени сжатия. То есть объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, уменьшается пропорционально уменьшению количества всасываемого воздуха. Таким образом, объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально количеству всасываемого воздуха. Следует отметить, что в это время соотношение топливовоздушной смеси в камере 5 сгорания становится стехиометрическим соотношением топливовоздушной смеси, так что объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально количеству топлива.
1
Если нагрузка на двигатель становится еще ниже, механическая степень сжатия дополнительно увеличивается. Когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, формирующей структурный предел для камеры 5 сгорания, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, механическая степень сжатия сохраняется на уровне предельной степени сжатия двигателя. Таким образом, во время работы двигателя с низкой нагрузкой механическая степень сжатия становится максимальной, и степень расширения также становится максимальной. Иначе, согласно настоящему изобретению, для получения максимальной степени расширения во время работы двигателя с низкой нагрузкой механическая степень сжатия сделана максимальной. Кроме того, в это время фактическая степень сжатия поддерживается на уровне фактической степени сжатия, по существу аналогичной той, которая существует во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой.
2
С другой стороны, как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрывания впускного клапана 7 задерживается до предельного момента закрывания, позволяющего регулировать количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, поскольку нагрузка на двигатель становится ниже. В области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана 7 достигает предельного момента закрывания, момент закрывания впускного клапана 7 сохраняется на уровне предельного момента закрывания. Если момент закрывания впускного клапана 7 сохраняется на уровне предельного момента закрывания, количество всасываемого воздуха больше не будет способно регулироваться посредством изменения момента закрывания впускного клапана 7. Таким образом, количество всасываемого воздуха должно регулироваться некоторым другим способом.
2
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.9, в это время, то есть в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана 7 достигает предельного момента закрывания, дроссельный клапан 17 используется для регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания. Однако при использовании дроссельного клапана 17 для регулирования количества всасываемого воздуха, как показано на фиг.9, увеличиваются насосные потери.
2
Следует отметить, что для предотвращения этих насосных потерь, в области нагрузки, которая ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда момент закрывания впускного клапана 7 достигает предельного момента закрывания, дроссельный клапан 17 остается полностью открытым или по существу полностью открытым. В этом состоянии чем ниже нагрузка на двигатель, тем больше может быть сделано соотношение топливовоздушной смеси. В этом случае топливная форсунка 13, предпочтительно, расположена в камере 5 сгорания для осуществления расслоенного сгорания.
Как показано на фиг.9, во время работы двигателя с низкой скоростью независимо от нагрузки на двигатель фактическая степень сжатия сохраняется по существу постоянной. Фактическая степень сжатия в это время задана в диапазоне фактической степени сжатия во время работы двигателя со средней и высокой нагрузкой ±10 процентов, предпочтительно ±5 процентов. Следует отметить, что в варианте, соответствующем настоящему изобретению, фактическая степень сжатия во время работы двигателя с низкой скоростью задана около 10±1, то есть от 9 до 11. Однако если скорость двигателя становится более высокой, топливовоздушная смесь в камере сгорания 5 нарушается, таким образом, детонация затрудняется, в результате чего в варианте осуществления изобретения, соответствующем настоящему изобретению, чем выше скорость двигателя, тем выше фактическая степень сжатия.
С другой стороны, как описано выше, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на фиг.8(В), степень расширения задана на уровне 26. Чем выше эта степень расширения, тем лучше, но если она составляет 20 или больше, может быть получен значительно более высокий теоретический термический к.п.д. Таким образом, согласно настоящему изобретению механизм А переменной степени сжатия сформирован так, что степень расширения становится 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 также может изменяться постепенно в соответствии с нагрузкой на двигатель.
2
С другой стороны, как показано прерывистой линией на фиг.9, когда нагрузка на двигатель становится ниже, также посредством опережения момента закрывания впускного клапана 7 можно регулировать количество всасываемого воздуха без зависимости от дроссельного клапана 17. Таким образом, как показано на фиг.9, если всесторонне выражать как случай, показанный сплошной линией, так и случай, показанный прерывистой линией, в варианте, соответствующем настоящему изобретению, момент закрывания впускного клапана 7 смещается, когда нагрузка на двигатель становится ниже в направлении от нижней мертвой точки сжатия до достижения предельного момента L закрывания, допускающего регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
На фиг.10 показана программа управления работой. Как показано на фиг.10, сначала в ходе этапа 100 используется карта, показанная на фиг.11(А), для вычисления целевой фактической степени сжатия. Как показано на фиг.11(А), эта целевая фактическая степень сжатия становится тем выше, чем выше скорость N двигателя. Затем, в ходе этапа 101, карта, показанная на фиг.11(В), используется для вычисления программной карты момента закрывания впускного клапана 7. То есть программная карта момента закрывания впускного клапана 7, требуемая для подачи заданного количества всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, предварительно сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N двигателя в форме карты, как показано на фиг.11(В), в постоянном запоминающем устройстве 32. Эта карта используется для вычисления программной карты момента закрывания впускного клапана 7.
Кроме того, механическая степень сжатия, требуемая для получения фактической степени сжатия на уровне целевой фактической степени сжатия, предварительно хранится в постоянном запоминающем устройстве 32, как функция нагрузки L на двигатель и скорости N двигателя в форме карты, как показано на фиг.11(В). В ходе этапа 102 эта карта используется для вычисления механической степени сжатия. Затем в ходе этапа 103 механическая степень сжатия делается механической степенью сжатия посредством управления механизмом А переменной степени сжатия, и момент закрывания впускного клапана 7 делается соответствующим программной карте момента закрывания посредством управления механизмом В переменного момента срабатывания клапана.