ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
SPARK IGNITION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
В области техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженный системой, способной изменять объем камеры сгорания, в котором когда температура каталитического нейтрализатора, размещенного внутри выхлопного канала двигателя, падает, и эффективность катализатора упадет, объем камеры сгорания увеличивается, чтобы понижать степень фактического сжатия, что таким образом заставляет кпд сгорания ухудшаться, а температуру выхлопного газа расти, и таким образом повышать температуру каталитического нейтрализатора (например, см. японскую патентную публикацию (В) №4-28893).
Однако при понижении степени фактического сжатия, чтобы повышать температуру каталитического нейтрализатора, существует проблема в том, что зажигание и сгорание топлива ухудшаются, таким образом устойчивое сгорание больше не может быть получено.
Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, способного повышать температуру катализатора, в то же время обеспечивая хорошее зажигание и сгорание топлива.
Согласно настоящему изобретению создан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженный механизмом переменной степени сжатия, способным изменять степень механического сжатия, механизмом регулирования фаз газораспределения, способным управлять моментом закрытия впускного клапана, дроссельной заслонкой, размещенной во впускном канале двигателя, и каталитическим нейтрализатором, размещенным в выпускном канале двигателя, причем степень механического сжатия увеличивается до максимальной степени механического сжатия, когда нагрузка на двигатель становится ниже, и момент закрытия впускного клапана сдвигается в направлении от нижней мертвой точки впуска, когда нагрузка на двигатель становится ниже, когда каталитический нейтрализатор активен, при этом предусмотрено средство прогнозирования для прогнозирования температуры каталитического нейтрализатора, размещенного в выпускном канале двигателя, и когда прогнозируется, что температура каталитического нейтрализатора упадет ниже, чем температура активирования, уменьшение в степени механического сжатия становится большим, величина сдвига момента закрытия впускного клапана по направлению к нижней мертвой точке впуска становится большей, и уменьшение в степени открытия дроссельной заслонки становится большим, когда нагрузка на двигатель становится ниже, чтобы понижать степень фактического расширения, в то же время поддерживая степень фактического сжатия такой же или в то же время увеличивая степень фактического сжатия.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 является общим видом двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
Фиг.2 является видом с разнесением деталей в перспективе механизма переменной степени сжатия.
Фиг.3 является видом сбоку в сечении проиллюстрированного двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.4 является видом механизма регулирования фаз газораспределения.
Фиг.5 является видом, показывающим величину поднятия впускного клапана и выпускного клапана.
Фиг.6 является видом, поясняющим степень сжатия, степень фактического сжатия, степень фактического расширения и степень расширения.
Фиг.7 является видом, показывающим взаимоотношение между теоретическим термическим кпд и степенью расширения.
Фиг.8 является видом, поясняющим обычный цикл и цикл сверхвысокой степени расширения.
Фиг.9 является видом, показывающим изменение в степени механического сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.
Фиг.10 является видом, показывающим изменение в степени механического сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.
Фиг.11 является видом, показывающим изменение в степени механического сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.
Фиг.12 является блок-схемой последовательности операций оперативного управления.
Фиг.13 является видом, показывающим соответствие момента IC закрытия впускного клапана и т.д.
Фиг.14 является видом, показывающим соответствие момента IC закрытия впускного клапана и т.д.
Фиг.15 является общим видом, показывающим другой вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
Фиг.16 является видом, показывающим момент ЕО открытия выпускного клапана.
Фиг.17 является блок-схемой последовательности операций оперативного управления.
Фиг.1 является видом сбоку в сечении двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
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. Отметим, что каждая топливная форсунка 13 может быть размещена в каждой камере 5 сгорания вместо прикрепления к каждому впускному патрубку 11.
Расширительный 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 через датчик 16 количества всасываемого воздуха, использующего, например, провод под напряжением к воздушному фильтру. Впускной канал 14 снабжен внутри дроссельной заслонкой 19, приводимой в действие приводом 18.
С другой стороны, выпускное отверстие 10 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 катализатор. Датчик 23 соотношения воздух-топливо размещен в выхлопной трубе 21, а датчик 24 температуры для обнаружения трехкомпонентного катализатора размещен дальше каталитического нейтрализатора 22.
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 изменять относительные 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 индивидуально управлять 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 (микропроцессор) 34, порт 35 ввода, порт 36 вывода. Выходной сигнал датчика 16 количества всасываемого воздуха, выходной сигнал датчика 23 контроля состава смеси воздух-топливо и выходной сигнал датчика 24 температуры 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 в разобранном состоянии механизма А переменной степени сжатия, показанного на фиг.1, в то время как фиг.3 является видом сбоку в сечении иллюстрированного двигателя внутреннего сгорания. Согласно фиг.2 внизу двух боковых стенок блока 2 цилиндров сформировано 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 вставляться 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, 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, дисковые кулачки 58 размещены между дисковыми кулачками 56. 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, таким образом 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, таким образом 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. Отметим, что механизм А переменной степени сжатия, показанный на фиг.1-3, является примером. Может быть использован любой тип механизма переменной степени сжатия.
С другой стороны, фиг.4 показывает механизм В регулирования фаз газораспределения, предусмотренный на кулачковом валу 70 для приведения в движение впускного клапана 7 на фиг.1. Как показано на фиг.4, механизм В регулирования 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 различные 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 поясняется устройство В1 изменения фаз кулачка механизма В регулирования фаз газораспределения. Устройство В1 изменения фаз кулачка снабжено зубчатым шкивом 71, выполненным так, чтобы вращаться посредством коленчатого вала двигателя через зубчатый ремень привода в направлении стрелки, цилиндрическим корпусом 72, вращающимся вместе с зубчатым шкивом 71, валом 73, способным вращаться 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, причем две стороны лопастей 75 сформированы с гидравлическими камерами 76 для опережения и гидравлическими цилиндрами 77 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 сдвинуть в сторону опережения фазу кулачков кулачкового вала 70, на фиг.4, золотниковый клапан 8 5 выполнен двигающимся вниз, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 79 к гидравлическим камерам 76 для опережения, а рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических камерах 77 для запаздывания стекает из сливного отверстия 84. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении стрелки X.
В противоположность этому, чтобы задержать фазу кулачков кулачкового вала 70, на фиг.4, золотниковый клапан 85 выполнен двигающимся вверх, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из подающего отверстия 82, подается через гидравлическое отверстие 80 к гидравлическим камерам 77 для запаздывания, а рабочая жидкость на масляной основе в гидравлических камерах 76 для опережения стекает из сливного отверстия 83. В это время вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, противоположном стрелкам X.
Когда вал 73 вращается относительно цилиндрического корпуса 72, если золотниковый клапан 85 возвращен в нейтральную позицию, показанную на фиг.4, операция относительного вращения вала 73 заканчивается, и вал 73 удерживается в относительной вращающейся позиции в это время. Следовательно, можно использовать механизм В1 изменения фаз кулачков так, чтобы двигать в сторону опережения или запаздывания фазу кулачков кулачкового вала 70 на точную требуемую величину. Т.е. устройство В1 изменения фаз кулачка может свободно сдвигать в сторону опережения или задержки момент открытия впускного клапана 7.
Далее поясняется 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 так, чтобы двигаться посредством привода 91 в осевом направлении, промежуточным кулачком 94, входящим в контакт с кулачком 92 кулачкового вала 70 и сцепленным с возможностью сдвига с шлицевым соединением 93, сформированным на управляющем стержне 90 и проходящим в осевом направлении, и качающимся кулачком 96, входящим в контакт с толкателем 24 клапана для приведения в движение впускного клапана 7 и сцепленным с возможностью сдвига со шлицевым соединением 95, проходящим по спирали, сформированной на управляющем стержне 90. Качающийся кулачок 96 сформирован с кулачком 97.
Когда кулачковый вал 70 вращается, кулачок 92 заставляет промежуточный кулачок 94 качаться на точно постоянный угол все время. В это время качающийся кулачок 96 также поворачивается на точный постоянный угол. С другой стороны, промежуточный кулачок 94 и качающийся кулачок 96 поддерживаются с возможностью сдвига в осевом направлении управляющего стержня 90, следовательно, когда управляющий стержень 90 приводится движущимся приводом 91 в осевом направлении, качающийся кулачок 96 поворачивается относительно промежуточного кулачка 94.
Когда кулачок 92 кулачкового вала 70 начинает входить в контакт с промежуточным кулачком 94 вследствие относительного вращательного позиционного соотношения между промежуточным кулачком 94 и качающимся кулачком 96, если кулачок 97 качающегося кулачка 96 начинает входить в контакт с толкателем 24 клапана, как показано символом а на фиг.5(В), время открытия и ход впускного клапана 7 становятся максимальными. В противоположность этому, когда используется привод 91, чтобы поворачивать качающийся 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 после этого кулачок 97 качающегося кулачка 96 входит в контакт с толкателем 24 клапана. В этом случае, как показано символом b на фиг.5(В), время открытия и величина поднятия впускного клапана 7 становятся меньше, чем а.
Когда качающийся 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 изменять относительную позицию вращения промежуточного кулачка 94 и качающегося 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.
Отметим, что механизм В регулирования фаз газораспределения, показанный на фиг.1 и фиг.4, является примером. Также можно использовать различные типы механизмов регулирования фаз газораспределения, отличные от примера, показанного на фиг.1 и фиг.4.
Далее, значение терминов, используемых в настоящей заявке, будет объяснено со ссылкой на фиг.6. Отметим, что фиг.6 (А), (В), (С) и (D) показывают в пояснительных целях двигатель с объемом камер сгорания в 50 мл и рабочим объемом цилиндра над поршнем в 500 мл. На фиг.6 (А), (В), (С) и (D) объем камеры сгорания показывает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке сжатия.
Фиг.6 (А) объясняет степень механического сжатия. Степень механического сжатия является величиной, определенной механически из рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания в момент такта сжатия. Эта степень механического сжатия выражается значением (объем камеры сгорания + рабочий объем) /объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6 (А), эта степень механического сжатия становится (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Фиг.6 (В) объясняет степень фактического сжатия. Эта степень фактического сжатия является величиной, определенной из фактического рабочего объема цилиндра от момента, когда действие сжатия фактически началось, до момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки, и объема камеры сгорания. Эта степень фактического 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, степень фактического сжатия выражается следующим образом с помощью фактического рабочего объема. В примере, показанном на фиг.6 (В), степень фактического 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 равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Фиг.6 (С) объясняет степень фактического расширения. Эта степень фактического расширения является значением, определенным из объема камеры сгорания и фактического рабочего объема такта расширения, от момента, когда действие расширения начинается, до момента, когда действие расширения фактически заканчивается, т.е. до момента, когда выпускной клапан 9 открывается. Эта степень фактического расширения выражается как (объем камеры сгорания + фактический объем такта расширения)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6 (D), степень фактического расширения становится (50 мл + 450 мл)/50 мл = 10.
Далее, со ссылкой фиг.7 и фиг.8 будет пояснен цикл сверхвысокой степени расширения в настоящем изобретении. Отметим, что фиг.7 показывает соотношение между теоретическим термическим кпд и степенью расширения, в то время как фиг.8 показывает 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, по существу, от нижней мертвой точки сжатия. В примере, также показанном на фиг.8 (А), в том же способе, что и в примерах, показанных на фиг.6 (А), (В), (С) и (D), объем камеры сгорания составляет 50 мл, а рабочий объем цилиндра составляет 500 мл. Как будет понятно из фиг.8 (А), в обычном цикле степень механического сжатия равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11, степень фактического сжатия также равна приблизительно 11, и степень фактического расширения также равна (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11. Т.е. в обычном двигателе внутреннего сгорания степень механического сжатия, и степень фактического сжатия, и степень расширения, и степень фактического расширения становятся по существу одинаковыми.
Сплошная линия на фиг.7 показывает изменение в теоретическом термическом кпд, в случае, когда степень фактического сжатия и степень фактического расширения, по существу, равны, т.е. в обычном цикле. В этом случае изучено, что чем больше степень фактического расширения, т.е. выше степень фактического сжатия, тем выше теоретический термический кпд. Следовательно, в обычном цикле, чтобы повысить теоретический термический кпд, степень фактического сжатия должна быть более высокой. Однако из-за ограничений на возникновение детонации во время работы двигателя при высокой нагрузке степень фактического 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 изобретатели строго различали между степенью механического сжатия и степенью фактического сжатия и изучаемым теоретическим термическим кпд и в результате обнаружили, что в теоретическом термическом кпд степень фактического расширения является доминирующей, и на теоретический термический кпд почти совсем не влияет степень фактического сжатия. Т.е. если степень фактического сжатия повышается, взрывная сила растет, но сжатие требует большой энергии соответственно, даже если степень фактического сжатия повышается, теоретический термический кпд почти совсем не будет повышаться.
В противоположность этому, если повышается степень фактического расширения, чем длиннее период, в течение которого сила действует как сила, придавливающая поршень в момент такта расширения, тем более продолжительно время, в течение которого поршень передает силу вращения коленчатому валу. Следовательно, чем больше степень фактического расширения, тем более высоким становится теоретический термический кпд. Прерывистая линия ε=10 на фиг.7 показывает теоретический термический кпд, в случае фиксирования степени фактического сжатия в значении 10 и повышения степени фактического расширения в этом состоянии. Таким образом, изучено, что величина роста теоретического термического кпд при повышении степени фактического расширения в состоянии, когда степень фактического сжатия сохраняется на низком значении, и величина роста теоретического термического кпд в случае, когда степень фактического сжатия повышается вместе с степенью фактического расширения, как показано сплошной линией на фиг.7, почти не будут отличаться.
Если степень фактического сжатия удерживается на низком значении в этом способе, детонация не возникнет, следовательно, при повышении степени фактического расширения в состоянии, когда степень фактического сжатия удерживается на низком значении, возникновение детонации может быть предотвращено, и теоретический термический кпд может быть значительно повышен.
Фиг.8 (В) является примером случая, когда используется механизм А переменной степени сжатия и механизм В регулирования фаз газораспределения, чтобы поддерживать степень фактического сжатия на низком значении и повышать степень фактического расширения.
Согласно фиг.8 (В), в этом примере используется механизм А переменной степени сжатия, чтобы уменьшать объем камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм В регулирования фаз газораспределения используется, чтобы задерживать момент закрытия впускного клапана до тех пор, пока фактический рабочий объем цилиндра не изменится с 500 мл до 200 мл. Как результат, в этом примере степень фактического сжатия становится равной (20 мл + 200 мл) /20 мл = 11.
С другой стороны, фиг.8 (В) показывает случай, где выпускной клапан 9 открывается рядом с нижней мертвой точкой, и случай, где выпускной клапан 9 открывается, когда рабочий объем цилиндра равен 4 50 мл. Когда выпускной клапан 9 открывается рядом с нижней мертвой точкой, степень фактического расширения становится (20 мл + 500 мл) /20 мл = 26, тогда как когда выпускной клапан 9 открывается, когда рабочий объем цилиндра равен 450 мл, степень фактического расширения становится (20 мл + 450 мл)/20 мл = 23,5. В обычном цикле, показанном на фиг.8 (А), как объяснено выше, степень фактического сжатия равна приблизительно 11, и степень фактического расширения равна 11. По сравнению с этим случаем в случае, показанном на фиг.8 (В), обнаружено, что только степень фактического расширения повышается до 26 или 23,5. Это называется "циклом сверхвысокой степени расширения".
В двигателе внутреннего сгорания, вообще говоря, чем ниже нагрузка на двигатель, тем хуже термический кпд, следовательно, чтобы улучшать термический кпд во время работы двигателя, т.е. улучшить расход топлива, становится необходимым улучшение 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 подан 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, когда нагрузка на двигатель относительно низкая, 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).
Далее, со ссылкой на фиг.9 будет пояснено оперативное управление в целом, когда трехкомпонентный катализатор достаточно активирован.
Фиг.9 показывает изменения в степени механического сжатия, степени фактического расширения, моменте закрытия впускного клапана 7, степени фактического сжатия, объеме всасываемого воздуха, степени открытия дроссельной заслонки 17 и насосной потере вместе с нагрузкой на двигатель при определенной скорости вращения двигателя. Отметим, что 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 23 контроля состава смеси воздух-топливо, так что трехкомпонентный катализатор в каталитическом нейтрализаторе 22 отработавших газов может одновременно уменьшать несгоревшие СН, СО и NOX 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 степень механического сжатия понижена, степень фактического расширения понижается. Как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается в сторону опережения. Дополнительно, в это время объем всасываемого воздуха является большим. В это же время степень открытия дроссельной заслонки 17 сохраняется полностью открытой или, по существу, полностью открытой, таким образом насосная потеря становится нулевой.
С другой стороны, как показано сплошной линией на фиг.9, если нагрузка на двигатель становится ниже, момент закрытия впускного клапана 7 задерживается так, чтобы уменьшать объем всасываемого воздуха вместе с нагрузкой. Дополнительно, в это время степень механического сжатия увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже, как показано на фиг.9, так что степень фактического сжатия сохраняется, по существу, постоянной. Следовательно, степень расширения также увеличивается, когда нагрузка на двигатель становится ниже. Отметим, что также в это время дроссельная заслонка 19 удерживается в полностью открытом или, по существу, полностью открытом состоянии. Следовательно, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, управляется изменением момента закрытия впускного клапана 7 безотносительно дроссельной заслонки 19. Также в это время насосные потери становятся нулевыми.
В этом способе, когда нагрузка на двигатель становится ниже из рабочего состояния двигателя при высокой нагрузке, степень механического сжатия увеличивается вместе с уменьшением объема всасываемого воздуха, по существу, при постоянной степени фактического 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. Отметим, что соотношение воздух-топливо в камере 5 сгорания в это время становится стехиометрическим соотношением воздух-топливо, таким образом объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки сжатия, изменяется пропорционально количеству топлива.
1
1
Если нагрузка на двигатель становится дополнительно ниже, степень механического сжатия дополнительно увеличивается. Когда нагрузка на двигатель падает до средней нагрузки L, более близкой к низкой нагрузке, степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия, формирующей структурное ограничение камеры 5 сгорания. Когда степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия, в области нагрузки, более низкой, чем нагрузка L двигателя, где степень механического сжатия достигает предельной степени механического сжатия, степень механического сжатия удерживается на предельной степени механического сжатия. Следовательно, во время работы двигателя со средней нагрузкой со стороны низкой нагрузки и во время работы двигателя с низкой нагрузкой степень механического сжатия становится максимальной, и степень фактического расширения также становится максимальной. Другими словами, во время работы двигателя со средней нагрузкой со стороны низкой нагрузки степень механического сжатия становится максимальной, так что получается максимальная степень фактического расширения.
1
2
2
С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на фиг.9, даже когда нагрузка на двигатель становится ниже, чем L, как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 задерживается, когда нагрузка на двигатель становится ниже. Когда нагрузка на двигатель падает до L, момент закрытия впускного клапана 7 становится предельным моментом закрытия, где объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, можно управлять. Когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, в области, где нагрузка ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, момент закрытия впускного клапана 7 удерживается на предельном моменте закрытия.
2
Когда момент закрытия впускного клапана 7 удерживается на предельном моменте закрытия, объем всасываемого воздуха не может больше управляться изменением момента закрытия впускного клапана 7. В варианте осуществления, показанном на фиг.9, в это же время, т.е. в области, где нагрузка ниже, чем нагрузка L на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, объем всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, управляется дроссельной заслонкой 19. Однако, если объем всасываемого воздуха управляется дроссельной заслонкой 19, насосные потери увеличиваются, как показано на фиг.9.
1
2
1
2
2
С другой стороны, как показано на фиг.9, со стороны работы с высокой нагрузкой, где нагрузка на двигатель выше, чем L, степень фактического сжатия поддерживается, по существу, на той же степени фактического сжатия для той же скорости вращения двигателя. В противоположность этому, когда нагрузка на двигатель ниже, чем L, т.е. когда степень механического сжатия удерживается на предельной степени механического сжатия, степень фактического сжатия определяется моментом закрытия впускного клапана 7. Если момент закрытия впускного клапана 7 задерживается так, что нагрузка на двигатель становится между L и L, степень фактического сжатия падает. Если момент закрытия впускного клапана 7 удерживается на предельном моменте закрытия, как при нагрузке на двигатель, более низкой, чем L, степень фактического сжатия сохраняется постоянной.
2
С другой стороны, как показано прерывистой линией на фиг.9, можно управлять объемом всасываемого воздуха независимо от дроссельной заслонки 19, сдвигая в сторону опережения момент закрытия впускного клапана 7, когда нагрузка на двигатель становится более низкой. Следовательно, выражаясь так, что охватываются как случай, показанный сплошной линией на фиг.9, так и случай, показанный прерывистой линией, в варианте осуществления настоящего изобретения момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается, когда нагрузка на двигатель становится более низкой, в направлении от нижней мертвой точки НМТ впуска до предельного момента L закрытия, что позволяет управлять объемом всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Теперь, когда температура трехкомпонентного катализатора в каталитическом нейтрализаторе 22 падает и становится меньше, чем температура активирования, выхлопной газ больше не очищается, следовательно, трехкомпонентный катализатор должен удерживаться при температуре активирования или выше. С другой стороны, как будет понятно из фиг.7, когда степень фактического расширения падает, теоретический термический кпд падает и температура выхлопного газа становится выше. Следовательно, в настоящем изобретении, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, степень фактического расширения понижается и таким образом температура выхлопного газа растет, чтобы удерживать температуру трехкомпонентного катализатора на температуре активирования или выше.
В этом отношении, если степень фактического сжатия прекращает падать при понижении степени фактического расширения, зажигание и сгорание топлива прекращает ухудшаться. Следовательно, в настоящем изобретении в это время степень фактического расширения понижается, в то же время сохраняя степень фактического сжатия такой же или в то же время увеличивая степень фактического сжатия.
Фиг.10 показывает вариант осуществления, понижающий степень механического сжатия и таким образом понижающий степень фактического расширения, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования. Отметим, что на фиг.10 сплошная линия показывает сплошную линию на фиг.9, т.е. значения, когда трехкомпонентный катализатор активирован. На фиг.10 прерывистая линия показывает значения в случае повышения температуры трехкомпонентного катализатора.
Как будет понятно из фиг.10, в этом варианте осуществления, когда температура трехкомпонентного катализатора должна повышаться, степень механического сжатия понижается со значения, показанного сплошной линией, до значения, показанного прерывистой линией. В это время степень фактического расширения изменяется со значения, показанного сплошной линией, на значение, показанное прерывистой линией. С другой стороны, в этом варианте осуществления в это время степень фактического сжатия повышается со значения, показанного сплошной линией, до значения, показанного прерывистой линией. Для этого момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается со сплошной линии до прерывистой линии в направлении, приближающем нижнюю мертвую точку впуска, а степень открытия дроссельной заслонки 19 уменьшается со сплошной линии до прерывистой линии.
Фиг.11 показывает другой вариант осуществления, понижающий степень механического сжатия, чтобы понижать степень расширения, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора падает ниже, чем температура активирования. Отметим, что на фиг.11 сплошная линия показывает сплошную линию на фиг.9, т.е. показывает значения в случае, где трехкомпонентный катализатор активирован. На фиг.11 прерывистая линия показывает значения в случае повышения температуры трехкомпонентного катализатора.
В этом варианте осуществления также, когда температура трехкомпонентного катализатора повышается, степень механического сжатия понижается со значения, показанного сплошной линией, до значения, показанного прерывистой линией. В это время степень фактического расширения понижается со значения, показанного сплошной линией, до значения, показанного прерывистой линией. Дополнительно, также в этом варианте осуществления степень фактического сжатия повышается со значения, показанного сплошной линией, до значения, показанного прерывистой линией. Для этого момент закрытия впускного клапана 7 сдвигается со сплошной линии до прерывистой линии в направлении, приближающем нижнюю мертвую точку впуска, а степень открытия дроссельной заслонки 19 уменьшается со сплошной линии до прерывистой линии.
0
0
0
В этом варианте осуществления, в отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.10, степень механического сжатия понижается, чтобы повышать температуру трехкомпонентного катализатора только тогда, когда нагрузка на двигатель ниже, чем предварительно определенная нагрузка L. Дополнительно, в этом случае чем ниже нагрузка на двигатель, тем большей становится величина уменьшения степени механического сжатия. Т.е. когда нагрузка на двигатель выше, чем L, считается, что температура трехкомпонентного катализатора никогда не станет меньше, чем температура активирования. Следовательно, в этом варианте осуществления, когда нагрузка на двигателе выше, чем L, действие повышения температуры трехкомпонентного катализатора не выполняется, несмотря на температуру трехкомпонентного катализатора.
0
С другой стороны, в области, где нагрузка на двигатель ниже, чем L, если нагрузка на двигатель становится ниже, температура выхлопного газа становится ниже, и объем выхлопного газа становится меньше. Следовательно, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, чтобы удерживать температуру трехкомпонентного катализатора на температуре активирования, чем ниже становится нагрузка на двигатель, тем больше должна повышаться температура выхлопного газа. Следовательно, в этом варианте осуществления, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, чем ниже нагрузка на двигатель, тем больше становится уменьшение степени механического сжатия и таким образом чем ниже нагрузка на двигатель, тем больше становится величина уменьшения степени фактического расширения.
0
0
0
Фиг.12 показывает программу оперативного управления, которая может применяться к любому из вариантов осуществления, показанных на фиг.10 и фиг.11. Согласно фиг.12, сначала, на этапе 100 температура ТС трехкомпонентного катализатора оценивается из выходного сигнала датчика 24 температуры. Далее, на этапе 101, оценивается, становится ли температура ТС трехкомпонентного катализатора ниже, чем температура Т, при которой прогнозируется, что температура ТС трехкомпонентного катализатора падает ниже, чем температура активирования, например температура Т немного выше, чем температура, при которой трехкомпонентный катализатор становится активированным. Когда ТС≥Т, т.е. когда трехкомпонентный катализатор достаточно активен, программа переходит к этапу 102, где выполняется оперативное управление, показанное на фиг.9.
Т.е. на этапе 102 вычисляется целевая степень СР фактического сжатия. Далее, на этапе 103, момент 1С закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия, показанного на фиг.13 (А). Т.е. момент IC закрытия впускного клапана 7, требуемый для подачи требуемого объема всасываемого воздуха в камеру сгорания 5, сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, как показано на фиг.13 (А), заранее в ПЗУ 32. Момент IC закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия.
Далее, на этапе 104, вычисляется степень CR механического сжатия. Далее, на этапе 105, вычисляется степень открытия дроссельной заслонки 17. Степень 9 открытия этой дроссельной заслонки 17 сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, которое показано на фиг.13 (В), заранее в ПЗУ 32. Далее, на этапе 110, механизм А переменной степени сжатия управляется так, что степень механического сжатия становится степенью CR механического сжатия, механизм В регулирования фаз газораспределения управляется так, что момент закрытия впускного клапана становится моментом IC закрытия, и дроссельная заслонка 17 управляется так, что степень открытия дроссельной заслонки 17 становится степенью 9 открытия.
0
0
0
В противоположность этому, когда на этапе 101 оценивается, что ТС<Т, т.е. когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, программа переходит к этапу 106, где оперативное управление переключается на оперативное управление, показанное прерывистой линией на фиг.10. Отметим, что в варианте осуществления, показанном на фиг.11, когда нагрузка на двигатель ниже, чем L, и ТС≤Т, программа переходит к этапу 106, где оперативное управление переключается на оперативное управление, показанное прерывистой линией на фиг.11.
Т.е. сначала, на этапе 106, вычисляется целевая степень СР′ фактического сжатия. Далее, на этапе 107, момент IC′ закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия, показанного на фиг.14 (А). Т.е. также в этом случае, момент IC′ закрытия впускного клапана 7, требуемый для подачи требуемого объема всасываемого воздуха внутрь камеры сгорания 5, сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, как показано на фиг.14 (А), заранее в ПЗУ 32. Момент 1С закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия.
Далее, на этапе 108, вычисляется степень CR′ механического сжатия. Далее, на этапе 109, вычисляется степень открытия дроссельной заслонки 19. Степень θ′ открытия этой дроссельной заслонки 19 также сохраняется как функция нагрузки L на двигатель и скорости N вращения двигателя в форме соответствия, которое показано на фиг.14 (В), заранее в ПЗУ 32. Далее, на этапе 110, механизм А переменной степени сжатия управляется так, что степень механического сжатия становится степенью CR′ механического сжатия, механизм В регулирования фаз газораспределения управляется так, что момент закрытия впускного клапана 7 становится моментом IC закрытия, и дроссельная заслонка 19 управляется так, что степень открытия дроссельной заслонки 19 становится степенью θ′ открытия. Отметим, что в это время момент зажигания может также задерживаться с тем, чтобы дополнительно повышать температуру выхлопного газа.
Фиг.15-17 показывают дополнительный вариант осуществления. В этом варианте осуществления, как показано на фиг.15, механизм В′ регулирования фаз газораспределения имеет структуру, похожую на механизм В регулирования фаз газораспределения, предусмотренный на впускном клапане 7, и также предусмотрен на выпускном клапане 9. Следовательно, этот механизм В′ регулирования фаз газораспределения может управлять моментом закрытия выпускного клапана 9 и может индивидуально управлять моментом открытия выпускного клапана 9.
0
1
В этом варианте осуществления, когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, без уменьшения в степени механического сжатия, как показано на фиг.16, момент ЕО открытия выпускного клапана 9 сдвигается в сторону опережения с обычного ЕО к EO и таким образом степень фактического расширения понижается.
0
0
0
Фиг.17 показывает программу оперативного управления. Согласно фиг.17, сначала, на этапе 200, температура ТС трехкомпонентного катализатора оценивается из выходного сигнала датчика 24 температуры. Далее, на этапе 201, оценивается, становится ли температура ТС трехкомпонентного катализатора ниже, чем температура Т, при которой прогнозируется, что температура ТС трехкомпонентного катализатора падает ниже, чем температура активирования. Когда ТС ≥ Т, т.е. когда трехкомпонентный катализатор достаточно активирован, программа переходит к этапу 202, где момент ЕО открытия выпускного клапана 9 является обычным моментом ЕО открытия, показанным на фиг.16. Далее, программа переходит к этапу 204.
0
1
В противоположность этому, когда оценивается на этапе 201, что ТС < Т, т.е. когда прогнозируется, что температура трехкомпонентного катализатора упадет ниже, чем температура активирования, программа переходит к этапу 203, где момент ЕО открытия выпускного клапана 9 сдвигается в сторону опережения к моменту EO, показанному на фиг.16. В это время, чтобы дополнительно повышать температуру выхлопного газа, момент зажигания может задерживаться. Далее, программа переходит к этапу 204.
0
1
С этапа 204 выполняется оперативное управление, показанное на фиг.9. Т.е. на этапе 204 вычисляется заданная степень СР фактического сжатия. Далее, на этапе 205, момент IC закрытия впускного клапана 7 вычисляется из соответствия, показанного на фиг.13 (А). Далее, на этапе 206 вычисляется степень CR механического сжатия. Далее, на этапе 207, степень 9 открытия дроссельной заслонки 19 вычисляется из соответствия, показанного на фиг.13 (В). Далее, на этапе 208, механизм А переменной степени сжатия управляется так, что степень механического сжатия становится степенью CR механического сжатия, механизм В регулирования фаз газораспределения управляется так, что момент закрытия впускного клапана 7 становится моментом IC закрытия, механизм В′ регулирования фаз газораспределения управляется так, что момент ЕО открытия выпускного клапана 9 становится моментом ЕО или EO открытия, а дроссельная заслонка 19 управляется так, что степень открытия дроссельной заслонки 19 становится степенью 9 открытия.
Отметим, что, как объяснено выше, в цикле сверхвысокой степени расширения, показанном на фиг.8 (В), степень фактического расширения равна 26 или 23,5. Чем выше эта степень фактического расширения, тем лучше, но будет понятно из фиг.7, что значительно более высокий теоретический термический кпд может быть получен, если используется значение 20 или более относительно практически осуществимой нижней предельной степени фактического сжатия ε=5. Следовательно, в настоящем изобретении механизм А переменной степени сжатия сформирован так, что степень фактического расширения становится равной 20 или более.