ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SPARK IGNITION (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
В данной области техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, предусмотренный с механизмом регулирования степени сжатия, выполненным с возможностью изменения механической степени сжатия, и с механизмом регулирования фаз газораспределения, выполненным с возможностью регулирования моментов закрытия впускного клапана, при этом наддув выполняется нагнетателем во время работы двигателя при средних нагрузках и работы двигателя при высоких нагрузках, и в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается постоянной во время работы двигателя при средних и высоких нагрузках, обеспечивается повышение механической степени сжатия и запаздывание моментов закрытия впускного клапана, когда нагрузка двигателя становится меньше (например, см. патентную публикацию Японии №2004-218522).
Тем не менее, обычно, чем больше в двигателях внутреннего сгорания степень расширения, тем продолжительнее промежуток времени в ходе расширения, когда направленная вниз сила действует на поршень, следовательно, чем больше степень расширения, тем в большей степени повышается тепловой коэффициент полезного действия. Следовательно, для повышения теплового коэффициента полезного действия во время работы двигателя предпочтительно сделать механическую степень сжатия как можно большей и сделать степень расширения большой.
Однако в случае увеличения степени расширения данным образом большая часть тепловой энергии, выработанной в камере сгорания, превращается в кинетическую энергию, так что температура выхлопного газа снижается. Кроме того, наряду с этим давление выхлопного газа в камере сгорания в конце хода расширения (рабочего такта) также становится более низким, и соответственно выхлопному газу будет труднее выходить из камеры сгорания. Данная тенденция проявляется особенно заметно, когда обеспечивают степень расширения, составляющую 20 или более.
С другой стороны, если температура каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа двигателя, предусмотренного в канале для прохода выхлопных газов двигателя, не повысится до определенной температуры или более, как правило, каталитический нейтрализатор не сможет обеспечить свое наилучшее действие при очистке выхлопа. По этой причине в большинстве двигателей внутреннего сгорания тепло выхлопных газов, выходящих из корпуса двигателя, используют для поддержания высокой температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа.
Тем не менее, как разъяснено выше, в случае увеличения степени расширения температура выхлопного газа падает, так что уменьшается величина, на которую температура каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа повышается на единицу скорости потока (расхода). Кроме того, в случае увеличения степени расширения выхлопному газу будет труднее выходить из камеры сгорания, так что скорость потока выхлопного газа, поступающего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, становится меньше. По этой причине в случае эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в состоянии, соответствующем большой степени расширения, будет затруднено поддержание высокой температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа.
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в разработке двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, способного обеспечить поддержание сравнительно высокой температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа даже при работе двигателя внутреннего сгорания в состоянии, соответствующем большой степени расширения.
В соответствии с настоящим изобретением разработан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, описанный в пунктах формулы изобретения как средство для осуществления вышеуказанной цели.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения разработан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм регулирования степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия впускного клапана, и выпускной клапан,
при этом во время работы двигателя при низких нагрузках механизм регулирования степени сжатия обеспечивает регулирование механической степени сжатия так, чтобы она была максимизирована для получения максимальной степени расширения, и механизм регулирования, времени открытия и закрытия впускного клапана обеспечивает регулирование моментов закрытия впускного клапана так, что фактическая степень сжатия задается такой, что не происходит никакого стука, причем указанная максимальная степень расширения составляет 20 или более, и при этом во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты закрытия выпускного клапана будут по существу соответствовать моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения разработан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм регулирования степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия впускного клапана, и механизм регулирования времени открытия и закрытия выпускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия выпускного клапана, при этом во время работы двигателя при низких нагрузках механизм регулирования степени сжатия обеспечивает регулирование механической степени сжатия так, чтобы она была максимизирована для получения максимальной степени расширения, и механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана обеспечивает регулирование моментов закрытия впускного клапана так, что фактическая степень сжатия задается такой, что не происходит никакого стука, причем указанная максимальная степень расширения составляет 20 или более, и при этом задаваемая область моментов закрытия выпускного клапана во время работы двигателя при низких нагрузках ограничена в большей степени моментами достижения стороны верхней мертвой точки при впуске, чем соответствующая область во время работы двигателя при высоких нагрузках.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты закрытия выпускного клапана будут по существу соответствовать моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения регулирование моментов закрытия выпускного клапана и моментов открытия впускного клапана осуществляется таким образом, что во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой промежуток времени, в течение которого открытие впускного клапана и открытие выпускного клапана перекрываются, будет минимальным.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения регулирование моментов закрытия выпускного клапана и моментов открытия впускного клапана осуществляется таким образом, что во время работы двигателя при низких нагрузках промежуток времени, в течение которого открытие впускного клапана и открытие выпускного клапана перекрываются, становится равным нулю.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты времени открытия впускного клапана будут по существу соответствовать моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения обеспечивается ситуация, при которой фактическая степень сжатия во время работы двигателя при низких нагрузках будет по существу такой же, как фактическая степень сжатия во время работы двигателя при средних и высоких нагрузках.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения во время работы двигателя при малом числе оборотов, независимо от нагрузки двигателя, фактическая степень сжатия находится в диапазоне от 9 до 11.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, чем больше число оборотов двигателя, тем больше фактическая степень сжатия.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, осуществляется посредством изменения моментов закрытия впускного клапана.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения при снижении нагрузки двигателя моменты закрытия впускного клапана сдвигаются в направлении от нижней мертвой точки при впуске до тех пор, пока не будут достигнуты предельные значения моментов закрытия, обеспечивающие возможность регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, превышающих нагрузку двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигнут предельных значений моментов закрытия, регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, осуществляется без учета дроссельного клапана, расположенного во впускном канале двигателя, посредством изменения моментов закрытия впускного клапана.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, превышающих нагрузку двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигнут предельных значений моментов закрытия, дроссельный клапан удерживается в полностью открытом состоянии.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигнут предельных значений моментов закрытия, дроссельный клапан, расположенный во впускном канале двигателя, используется для регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигнут предельных значений моментов закрытия, обеспечивается ситуация, при которой чем меньше нагрузка, тем больше будет отношение количества воздуха к количеству топлива.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигнут предельных значений моментов закрытия, моменты закрытия впускного клапана поддерживаются равными предельным значениям моментов закрытия.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения механическая степень сжатия увеличивается, когда нагрузка двигателя снижается, до предельного значения механической степени сжатия.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения в области нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда механическая степень сжатия достигнет предельного значения механической степени сжатия, механическая степень сжатия поддерживается равной предельному значению механической степени сжатия.
Поскольку в соответствии с настоящим изобретением максимально возможное количество выхлопного газа выпускается из камеры сгорания к каталитическому нейтрализатору для очистки выхлопа, даже в случае работы двигателя внутреннего сгорания в состоянии, соответствующем большой степени расширения, температура каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа может поддерживаться сравнительно высокой.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм регулирования степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия впускного клапана, и выпускной клапан, при этом во время работы двигателя при низких нагрузках механизм регулирования степени сжатия обеспечивает регулирование механической степени сжатия так, чтобы она была максимизирована для получения максимальной степени расширения, и механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана обеспечивает регулирование моментов закрытия впускного клапана так, что фактическая степень сжатия задается такой, что не происходит никакого стука, причем максимальная степень расширения составляет 20 или более, а во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты закрытия выпускного клапана по существу соответствуют моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм регулирования степени сжатия, выполненный с возможностью изменения механической степени сжатия, механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия впускного клапана, и механизм регулирования времени открытия и закрытия выпускного клапана, выполненный с возможностью изменения моментов закрытия выпускного клапана, при этом во время работы двигателя при низких нагрузках механизм регулирования степени сжатия обеспечивает регулирование механической степени сжатия так, чтобы она была максимизирована для получения максимальной степени расширения, и механизм регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана обеспечивает регулирование моментов закрытия впускного клапана так, что фактическая степень сжатия задается такой, что не происходит никакого стука, причем максимальная степень расширения составляет 20 или более, а задаваемая область моментов закрытия выпускного клапана во время работы двигателя при низких нагрузках ограничена в большей степени моментами достижения верхней мертвой точки при впуске, чем соответствующая область во время работы двигателя при высоких нагрузках.
Предпочтительно, во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты закрытия выпускного клапана по существу соответствуют моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
Предпочтительно, регулирование моментов закрытия выпускного клапана и моментов открытия впускного клапана осуществляется таким образом, что во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой промежуток времени, в течение которого открытие впускного клапана и открытие выпускного клапана перекрываются, будет минимальным.
Предпочтительно, регулирование моментов закрытия выпускного клапана и моментов открытия впускного клапана осуществляется таким образом, что во время работы двигателя при низких нагрузках промежуток времени, в течение которого открытие впускного клапана и открытие выпускного клапана перекрываются, становится равным нулю.
Предпочтительно, во время работы двигателя при низких нагрузках обеспечивается ситуация, при которой моменты времени открытия впускного клапана по существу соответствуют моментам достижения верхней мертвой точки при впуске.
Предпочтительно, обеспечивается ситуация, при которой фактическая степень сжатия во время работы двигателя при низких нагрузках является по существу такой же, как фактическая степень сжатия во время работы двигателя при средних и высоких нагрузках.
Предпочтительно, во время работы двигателя при малом числе оборотов, независимо от нагрузки двигателя, фактическая степень сжатия находится в диапазоне от 9 до 11.
Предпочтительно, чем больше число оборотов двигателя, тем больше фактическая степень сжатия.
Предпочтительно, регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, осуществляется посредством изменения моментов закрытия впускного клапана.
Предпочтительно, при снижении нагрузки двигателя моменты закрытия впускного клапана сдвигаются в направлении от нижней мертвой точки при впуске до тех пор, пока не будут достигнуты предельные значения моментов закрытия, обеспечивающие возможность регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, превышающих нагрузку двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигают предельных значений моментов закрытия, регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, осуществляется без учета дроссельного клапана, расположенного во впускном канале двигателя, посредством изменения моментов закрытия впускного клапана.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, превышающих нагрузку двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигают предельных значений моментов закрытия, дроссельный клапан удерживается в полностью открытом состоянии.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигают предельных значений моментов закрытия, дроссельный клапан, расположенный во впускном канале двигателя, используется для регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигают предельных значений моментов закрытия, обеспечивается ситуация, при которой чем меньше нагрузка, тем больше будет отношение количества воздуха к количеству топлива.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда моменты закрытия впускного клапана достигают предельных значений моментов закрытия, моменты закрытия впускного клапана поддерживаются равными предельным значениям моментов закрытия.
Предпочтительно, указанная механическая степень сжатия увеличивается, когда нагрузка двигателя снижается, до предельного значения механической степени сжатия.
Предпочтительно, в диапазоне нагрузок, которые меньше нагрузки двигателя, когда механическая степень сжатия достигает предельного значения, она поддерживается равной предельному значению.
Настоящее изобретение можно более четко понять из описания, приведенного ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - общий вид двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием;
фиг.2 - вид в перспективе механизма регулирования степени сжатия в разобранном состоянии;
фиг.3А и 3В - боковые сечения проиллюстрированного двигателя внутреннего сгорания;
фиг.4 - вид механизма регулирования времени открытия и закрытия клапанов;
фиг.5А и 5В - виды, показывающие величины подъема впускного клапана и выпускного клапана;
фиг.6А, 6В и 6С - изображения для разъяснения механической степени сжатия, фактической степени сжатия и степени расширения;
фиг.7 - изображение, показывающее зависимость между теоретическим тепловым коэффициентом полезного действия и степенью расширения;
фиг.8А и 8В - изображения для разъяснения обычного цикла и цикла со сверхвысокой степенью расширения;
фиг.9 - изображение, показывающее изменение механической степени сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой двигателя;
фиг.10А, 10В и 10С - изображения, показывающие изменения подъема впускного клапана и выпускного клапана;
фиг.11 - изображение, показывающее область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана в соответствии с механической степенью сжатия;
фиг.12А и 12В - изображения, показывающие изменения подъема впускного клапана и выпускного клапана;
фиг.13 - блок-схема оперативного регулирования;
фиг.14А, 14В и 14С - изображения, показывающие заданную фактическую степень сжатия; и
фиг.15А и 15В - изображения, показывающие многомерную регулировочную характеристику времени закрытия выпускного клапана и т.д.
Фиг.1 показывает боковое сечение двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
На фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен картер двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - головка цилиндра (блока цилиндров), 4 - поршень, 5 - камера сгорания, 6 - свеча зажигания, расположенная в верхней центральной части камеры 5 сгорания, 7 - впускной клапан, 8 - впускной канал, 9 - выпускной клапан и 10 - выпускной канал. Впускной канал 8 соединен посредством впускной трубки 11 с расширительным бачком 12, при этом каждая впускная трубка 11 снабжена топливным инжектором (форсункой) 13, предназначенным для впрыскивания топлива в соответствующий впускной канал 8. Следует отметить, что каждый топливный инжектор 13 может быть расположен у каждой камеры 5 сгорания вместо присоединения его к каждой впускной трубке 11.
Расширительный бачок 12 соединен через посредство впускного канала 14 с выпускным отверстием компрессора 15а турбонагнетателя 15, приводимого в действие выхлопными газами, в то время как впускное отверстие компрессора 15а соединено посредством детектора 16 количества всасываемого воздуха, в котором используется, например, нагреваемый провод, с воздухоочистителем (воздушным фильтром) 17. Дроссельный клапан 19, приводимый в действие приводным устройством 18, расположен внутри впускного канала 14.
С другой стороны, выпускной канал 10 соединен посредством выхлопного патрубка 20 с входом приводимой в действие выхлопными газами турбины 15b турбонагнетателя 15, приводимого в действие выхлопными газами, в то время как выход турбины 15b, приводимой в действие выхлопными газами, соединен посредством выхлопной трубы 21 с устройством 22 для каталитической нейтрализации выхлопных газов, в котором размещен каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа. Выхлопная труба 21 имеет размещенный в ней датчик 23 отношения количества воздуха к количеству топлива.
Кроме того, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, соединительная часть картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров предусмотрена с механизмом А регулирования степени сжатия, выполненным с возможностью изменения относительных положений картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в аксиальном направлении цилиндров с тем, чтобы изменить объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке при сжатии. Кроме того, соединительная часть предусмотрена с механизмом В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, выполненным с возможностью регулирования моментов закрытия впускного клапана 7 для изменения моментов начала фактического сжатия и выполненным с возможностью регулирования отдельно моментов открытия впускного клапана 7. Кроме того, она предусмотрена с механизмом С регулирования времени открытия и закрытия выпускного клапана, выполненным с возможностью регулирования по отдельности моментов открытия и моментов закрытия выпускного клапана 9.
Электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, предусмотренного с компонентами, соединенными друг с другом посредством двунаправленной шины 31, такими как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) 32, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 33, центральный процессор (микропроцессор) 34, порт 35 ввода и порт 36 вывода. Выходной сигнал от детектора 16 количества всасываемого воздуха и выходной сигнал датчика 23 отношения количества воздуха к количеству топлива вводятся через соответствующий аналого-цифровой преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, педаль 40 акселератора соединена с датчиком 41 нагрузки, генерирующим выходное напряжение, пропорциональное степени опускания («вдавливания») педали 40 акселератора. Выходное напряжение от датчика 41 нагрузки вводится через соответствующий аналого-цифровой преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота кривошипа, генерирующим выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 30°. С другой стороны, порт 36 вывода соединен посредством схемы 38 управления приводом со свечой 6 зажигания, топливным инжектором 13, устройством 18 для приведения в действие дроссельного клапана, механизмом А регулирования степени сжатия и механизмом В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана.
Фиг.2 представляет собой вид в перспективе механизма А регулирования степени сжатия, показанного на фиг.1, в разобранном состоянии, в то время как виды на фиг.3А и 3В представляют собой боковые сечения проиллюстрированного двигателя внутреннего сгорания. Как показано на фиг.2, в нижней части двух боковых стенок блока 2 цилиндров образовано множество выступающих частей 50, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Каждая выступающая часть 50 выполнена с отверстием 51 круглого сечения, предназначенным для вставки кулачка. С другой стороны, верхняя поверхность картера 1 двигателя выполнена с множеством выступающих частей 52, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и вставляемых между соответствующими выступающими частями 50. Данные выступающие части 52 также выполнены с отверстиями 53 круглого сечения, предназначенными для вставки кулачков.
Как показано на фиг.2, предусмотрены два кулачковых вала 54, 55. Каждый из кулачковых валов 54, 55 имеет дисковые кулачки 56, закрепленные на нем и выполненные с возможностью вставки их с возможностью поворота в отверстия 51 для вставки кулачков в каждом втором положении. Данные дисковые кулачки 56 коаксиальны с осями вращения кулачковых валов 54, 55. С другой стороны, между дисковыми кулачками 56, как показано штриховкой на фиг.3А и 3В, простираются эксцентриковые валы 57, расположенные со смещением по отношению к осям вращения кулачковых валов 54, 55. Каждый эксцентриковый вал 57 имеет другие дисковые кулачки 58, прикрепленные к нему с возможностью вращения со смещением относительно центра. Как показано на фиг.2, данные дисковые кулачки 58 расположены между дисковыми кулачками 56. Данные дисковые кулачки 58 вставлены с возможностью вращения в соответствующие отверстия 53 для вставки кулачков.
Когда дисковые кулачки 56, прикрепленные к кулачковым валам 54, 55, вращаются в противоположных направлениях в сторону друг от друга, как показано сплошными стрелками на фиг.3А, из положения, показанного на фиг.3А, эксцентриковые валы 57 перемещаются к нижней мертвой точке, так что дисковые кулачки 58 будут вращаться в противоположных направлениях по отношению к дисковым кулачкам 56 в отверстиях 53 для вставки кулачков, как показано пунктирными стрелками на фиг.3А. Как показано на фиг.3В, когда эксцентриковые валы 57 смещаются по направлению к нижней мертвой точке, центры дисковых кулачков 58 перемещаются в положения под эксцентриковыми валами 57.
Как будет понятно из сравнения фиг.3А и 3В, 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 будет находиться блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. Если блок 2 цилиндров переместится дальше от картера 1 двигателя, объем камеры 5 сгорания увеличивается, когда поршень 4 располагается в верхней мертвой точке при сжатии. Следовательно, посредством обеспечения поворота кулачковых валов 54, 55 можно изменить объем камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке при сжатии.
Как показано на фиг.2, для обеспечения вращения кулачковых валов 54, 55 в противоположных направлениях вал приводного двигателя 59 снабжен двумя червяками 61, 62 с противоположными направлениями резьбы. Червячные колеса 63, 64, введенные в зацепление с данными червяками 61, 62, прикреплены к концам кулачковых валов 54, 55. В данном варианте осуществления приводной двигатель 59 может быть приведен в действие для изменения объема камеры 5 сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке при сжатии, в широком диапазоне. Следует отметить, что механизм А регулирования степени сжатия, показанный на фиг.1-3, показывает один пример. Может быть использован любой тип механизма регулирования степени сжатия.
Далее, фиг.4 показывает механизм В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, присоединенный к кулачковому валу 70 для приведения в действие впускного клапана 7, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.4, механизм В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана состоит из устройства В1 для изменения фазового угла кулачка, прикрепленного к одному концу кулачкового вала 70 и изменяющего фазовый угол кулачка кулачкового вала 70, и устройства В2 для изменения угла срабатывания кулачка, расположенного между кулачковым валом 70 и толкателем 24 клапана, предназначенным для впускного клапана 7, и изменяющего угол срабатывания (рабочий угол) кулачка кулачкового вала 70 на разные углы срабатывания для «передачи» впускному клапану 7. Следует отметить, что фиг.4 представляет собой боковое сечение и вид в плане устройства В2 для изменения рабочего угла кулачка.
Сначала, при разъяснении устройства В1 для изменения фазового угла кулачка, предусмотренного в механизме В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, следует отметить, что данное устройство В1 для изменения фазового угла кулачка предусмотрено с зубчатым шкивом 71, вращение которого обеспечивается посредством коленчатого вала двигателя посредством зубчатого ремня в направлении стрелки, с цилиндрическим кожухом 72, вращающимся вместе с зубчатым шкивом 71, с валом 73, выполненным с возможностью вращения вместе с кулачковым валом 70 и вращения относительно цилиндрического кожуха 72, с множеством перегородок 74, проходящих от внутренней окружной периферии цилиндрического кожуха 72 до наружной окружной периферии вала 73, и с лопатками 75, проходящими между перегородками 74 от наружной окружной периферии вала 73 до внутренней окружной периферии цилиндрического кожуха 72, при этом две стороны лопаток 75 образованы с гидравлическими камерами 76, используемыми при опережении, и гидравлическими камерами 77, используемыми при запаздывании.
Регулирование подачи рабочей жидкости на масляной основе в гидравлические камеры 76, 77 осуществляется посредством клапана 78 регулирования подачи рабочей жидкости на масляной основе. Данный клапан 78 регулирования подачи рабочей жидкости на масляной основе предусмотрен с каналами 79, 80 для гидравлической жидкости, соединенными с гидравлическими камерами 76, 77, каналом 82 для подачи рабочей жидкости на масляной основе, нагнетаемой из гидравлического насоса 81, двумя выпускными каналами 83, 84 и золотниковым клапаном 85, предназначенным для управления соединением и отсоединением каналов 79, 80, 82, 83, 84.
Для обеспечения опережения по фазе кулачка кулачкового вала 70 обеспечивают перемещение золотникового клапана 85 вниз на фиг.4, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из канала 82 для подачи, подается по каналу 79 для гидравлической жидкости в гидравлические камеры 76, используемые при опережении, и рабочая жидкость на масляной основе, находящаяся в гидравлических камерах 77, используемых при запаздывании, выпускается из выпускного канала 84. В этот момент обеспечивается вращение вала 73 относительно цилиндрического кожуха 72 в направлении стрелки X.
В отличие от этого, для обеспечения запаздывания по фазе кулачка кулачкового вала 70 обеспечивают перемещение золотникового клапана 85 вверх на фиг.4, рабочая жидкость на масляной основе, подаваемая из канала 82 для подачи, подается по каналу 80 для гидравлической жидкости в гидравлические камеры 77, используемые при запаздывании, и рабочая жидкость на масляной основе, находящаяся в гидравлических камерах 76, используемых при опережении, выпускается из выпускного канала 83. В этот момент обеспечивается вращение вала 73 относительно цилиндрического кожуха 72 в направлении, противоположном направлению стрелки X.
Если при обеспечении вращения вала 73 относительно цилиндрического кожуха 72 золотниковый клапан 85 возвращается в нейтральное положение, показанное на фиг.4, операция обеспечения относительного вращения вала 73 заканчивается, и вал 73 удерживается в том относительном угловом положении, которое он занимает в данный момент времени. Следовательно, существует возможность использования устройства В1 для изменения фазового угла (фазы) кулачка с тем, чтобы обеспечить опережение или запаздывание по фазе кулачка кулачкового вала 70 на точно заданную величину. То есть устройство В1 для изменения фазового угла кулачка может обеспечить беспрепятственное опережение или запаздывание моментов открытия впускного клапана 7.
Далее, при разъяснении устройства В2 для изменения угла срабатывания кулачка, предусмотренного в механизме В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, следует отметить, что данное устройство В2 для изменения угла срабатывания (рабочего угла) кулачка предусмотрено с управляющим стержнем 90, расположенным параллельно кулачковому валу 70 и приводимым в движение в аксиальном направлении посредством приводного устройства 91, с промежуточным кулачком 94, взаимодействующим с кулачком 92 кулачкового вала 70 и установленным по скользящей посадке посредством шлицев 93, образованных на управляющем стержне 90 и проходящих в аксиальном направлении, и с поворотным кулачком 96, взаимодействующим с толкателем 24 клапана для приведения в действие впускного клапана 7 и установленным по скользящей посадке посредством шлицев 95, проходящих по спирали и образованных на управляющем стержне 90. Поворотный кулачок 96 образован с кулачком 97.
Когда кулачковый вал 70 вращается, кулачок 92 заставляет промежуточный кулачок 94 поворачиваться все время точно на постоянный угол. В этот момент обеспечивается поворот поворотного кулачка 96 также точно на постоянный угол. С другой стороны, промежуточный кулачок 94 и поворотный кулачок 96 удерживаются без возможности перемещения в аксиальном направлении управляющего стержня 90, следовательно, когда обеспечивается перемещение управляющего стержня 90 в аксиальном направлении посредством приводного устройства 91, обеспечивается поворот поворотного кулачка 96 относительно промежуточного кулачка 94.
а
а
Когда кулачок 92 кулачкового вала 70 начинает взаимодействовать с промежуточным кулачком 94 вследствие относительного углового взаимного расположения промежуточного кулачка 94 и поворотного кулачка 96, то в том случае, если кулачок 97 поворотного кулачка 96 начинает взаимодействовать с толкателем 24 клапана, как показано ссылочной позицией  на фиг.5В, промежуток времени открытия и величина подъема впускного клапана 7 становятся максимальными. В противоположность этому, когда приводное устройство 91 используется для обеспечения поворота поворотного кулачка 96 относительно промежуточного кулачка 94 в направлении стрелки Y на фиг.4, кулачок 92 кулачкового вала 70 входит во взаимодействие с промежуточным кулачком 94, затем через некоторое время кулачок 97 поворотного кулачка 96 входит во взаимодействие с толкателем 24 клапана. В данном случае, как показано ссылочной позицией b на фиг.5В, промежуток времени открытия и величина подъема впускного клапана 7 становятся меньшими, чем в случае .
Когда обеспечивается поворот поворотного кулачка 96 относительно промежуточного кулачка 94 в направлении стрелки Y на фиг.4, как показано ссылочной позицией с на фиг.5В, промежуток времени открытия и величина подъема впускного клапана 7 становятся еще меньшими. То есть посредством использования приводного устройства 91 для изменения относительного углового положения промежуточного кулачка 94 и поворотного кулачка 96 можно беспрепятственно изменять промежуток времени открытия впускного клапана 7. Тем не менее, в данном случае величина подъема впускного клапана 7 становится тем меньше, чем короче промежуток времени открытия впускного клапана 7.
Устройство В1 для изменения фазового угла кулачка может быть использовано для беспрепятственного изменения моментов открытия впускного клапана 7, и устройство В2 для изменения рабочего угла кулачка может быть использовано для беспрепятственного изменения промежутка времени открытия впускного клапана 7 таким образом, что как устройство В1 для изменения фазового угла кулачка, так и устройство В2 для изменения рабочего угла кулачка, то есть механизм В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, могут быть использованы для беспрепятственного изменения моментов открытия и промежутка времени открытия впускного клапана 7, то есть моментов открытия и моментов закрытия впускного клапана 7.
Следует отметить, что механизм В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, показанный на фиг.1 и 4, показывает один пример. Также можно использовать различные типы механизмов регулирования времени открытия и закрытия клапанов, отличные от примера, показанного на фиг.1 и 4.
Кроме того, механизм С регулирования времени открытия и закрытия выпускного клапана также в основном имеет конфигурацию, аналогичную механизму В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана, и может обеспечить беспрепятственное изменение моментов открытия и промежутка времени открытия выпускного клапана 9, то есть моментов открытия и моментов закрытия выпускного клапана 9.
Далее, значение терминов, используемых в настоящей заявке, будет разъяснено со ссылкой на фиг.6А-6С. Следует отметить, что фиг.6А, 6В и 6С показывают в целях разъяснения двигатель с объемом камер сгорания, составляющим 50 мл, и рабочим объемом цилиндра, описываемым поршнем и составляющим 500 мл. На фиг.6А, 6В и 6С объем камеры сгорания показывает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке при сжатии.
Фиг.6А разъясняет механическую степень сжатия. Механическая степень сжатия представляет собой величину, определенную механически исходя из рабочего объема цилиндра, описываемого поршнем, и объема камеры сгорания во время хода сжатия. Данная механическая степень сжатия выражается следующим образом: (объем камеры сгорания + рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6А, данная механическая степень сжатия становится равной (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Фиг.6В разъясняет фактическую степень сжатия. Данная фактическая степень сжатия представляет собой величину, определенную исходя из фактического рабочего объема цилиндра, описываемого поршнем от того момента, когда сжатие фактически начинается, до того момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки, и объема камеры сгорания. Данная фактическая степень сжатия выражается следующим образом: (объем камеры сгорания + фактический рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. То есть, как показано на фиг.6В, даже если поршень начинает подниматься в ходе сжатия, никакого сжатия не выполняется, пока впускной клапан открыт. Фактическое сжатие начинается после закрытия впускного клапана. Следовательно, фактическая степень сжатия выражается следующим образом посредством использования фактического рабочего объема цилиндра. В примере, показанном на фиг.6В, фактическая степень сжатия становится равной (50 мл + 450 мл)/50 мл = 10.
Фиг.6С разъясняет степень расширения. Степень расширения представляет собой величину, определяемую исходя из рабочего объема цилиндра, описываемого поршнем во время хода расширения, и объема камеры сгорания. Данная степень расширения выражается следующим образом: (объем камеры сгорания + рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6С, данная степень расширения становится равной (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Далее, наиболее существенные признаки настоящего изобретения будут разъяснены со ссылкой на фиг.7, 8А и 8В. Следует отметить, что фиг.7 показывает зависимость между теоретическим тепловым коэффициентом полезного действия и степенью расширения, в то время как фиг.8А и 8В показывают сравнение между обычным циклом и циклом со сверхвысокой степенью расширения, используемым избирательно в соответствии с нагрузкой в настоящем изобретении.
Фиг.8А показывает обычный (нормальный) цикл, в котором впускной клапан закрывается «рядом» с нижней мертвой точкой, и сжатие посредством поршня начинается от места, находящегося по существу вблизи нижней мертвой точки при сжатии. В примере, показанном также на данной фиг.8А, таким же образом, как в примерах, показанных на фиг.6А, 6В и 6С, объем камеры сгорания выполнен равным 50 мл, и рабочий объем цилиндра, описываемый поршнем, выполнен равным 500 мл. Как будет понятно из фиг.8А, в нормальном (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 равной (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 теплового коэффициента полезного действия в том случае, когда фактическая степень сжатия и степень расширения по существу одинаковы, то есть при обычном (нормальном) цикле. В данном случае можно понять, что чем больше степень расширения, то есть чем больше фактическая степень сжатия, тем выше теоретический тепловой коэффициент полезного действия. Следовательно, в обычном цикле для повышения теоретического теплового коэффициента полезного действия должна быть обеспечена более высокая фактическая степень сжатия. Тем не менее, вследствие ограничений, связанных с возникновением стука во время работы двигателя при высоких нагрузках, фактическая степень сжатия может быть повышена только максимум до приблизительно 12, соответственно, при обычном цикле не может быть обеспечен достаточно высокий теоретический тепловой коэффициент полезного действия.
С другой стороны, в данной ситуации было проведено точное разграничение между механической степенью сжатия и фактической степенью сжатия и исследован теоретический тепловой коэффициент полезного действия, и в результате было обнаружено, что при определении теоретического теплового коэффициента полезного действия степень расширения имеет преобладающее значение, и фактическая степень сжатия не влияет сколько-нибудь существенно на теоретический тепловой коэффициент полезного действия. То есть, в случае увеличения фактической степени сжатия увеличивается сила взрыва, но сжатие требует большой энергии, соответственно, даже в случае увеличения фактической степени сжатия теоретический тепловой коэффициент полезного действия не повысится в значительной степени.
В противоположность этому, в случае увеличения степени расширения, чем продолжительнее промежуток времени, в течение которого действует сила, прижимающая поршень вниз во время хода расширения, тем продолжительнее промежуток времени, в течение которого поршень сообщает вращающую силу коленчатому валу. Следовательно, чем большая степень расширения будет обеспечена, тем больше станет теоретический тепловой коэффициент полезного действия. Пунктирная линия на фиг.7 показывает теоретический тепловой коэффициент полезного действия в случае фиксации фактической степени сжатия на уровне 10 и увеличения степени расширения в данном состоянии. Таким образом, понятно, что степень повышения теоретического теплового коэффициента полезного действия при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на уровне малых значений, и степень повышения теоретического теплового коэффициента полезного действия в том случае, когда фактическая степень сжатия увеличивается вместе со степенью расширения, как показано сплошной линией на фиг.7, не будут сильно различаться.
Если фактическая степень сжатия сохраняется на уровне малых значений данным образом, стук не будет возникать, следовательно, в случае повышения степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия сохраняется на уровне малой величины, можно предотвратить возникновение стука, и теоретический тепловой коэффициент полезного действия может быть существенно повышен. Фиг.8В показывает пример для случая использования механизма А регулирования степени сжатия и механизма В регулирования времени открытия и закрытия клапана для поддержания фактической степени сжатия на уровне малого значения и повышения степени расширения.
Как показано на фиг.8В, в данном примере механизм А регулирования степени сжатия используется для уменьшения объема камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана используется для обеспечения запаздывания моментов закрытия впускного клапана до тех пор, пока фактический объем, описываемый поршнем, не изменится от 500 мл до 200 мл. В результате в данном примере фактическая степень сжатия становится равной (20 мл + 200 мл)/20 мл = 11 и степень расширения становится равной (20 мл + 500 мл)/20 мл = 26. При обычном цикле, показанном на фиг.8А, как разъяснено выше, фактическая степень сжатия составляет приблизительно 11 и степень расширения составляет 11. Понятно, что по сравнению с данным случаем в случае, показанном на фиг.8В, только степень расширения повышена до 26. Это ниже будет названо «циклом со сверхвысокой степенью расширения».
Как разъяснено выше, вообще говоря, чем меньше нагрузка в двигателе внутреннего сгорания, тем меньше тепловой коэффициент полезного действия, следовательно, для повышения теплового коэффициента полезного действия во время работы транспортного средства, то есть для повышения эффективности использования топлива, становится необходимым повысить тепловой коэффициент полезного действия во время работы двигателя при низких нагрузках. С другой стороны, в цикле со сверхвысокой степенью расширения, показанном на фиг.8В, фактический рабочий объем, описываемый поршнем во время хода сжатия, будет меньше, так что количество всасываемого воздуха, который может быть всосан в камеру 5 сгорания, становится меньше, следовательно, данный цикл со сверхвысокой степенью расширения может быть использован только тогда, когда нагрузка двигателя является сравнительно низкой. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением, во время работы двигателя при низких нагрузках устанавливается цикл со сверхвысокой степенью расширения, показанный на фиг.8В, в то время как во время работы двигателя при высоких нагрузках устанавливается обычный цикл, показанный на фиг.8А. Это представляет собой основной признак настоящего изобретения.
Фиг.9 показывает оперативное регулирование в целом во время устойчивой работы при малом числе оборотов двигателя. Ниже оперативное регулирование в целом будет разъяснено со ссылкой на фиг.9.
x
Фиг.9 показывает изменения механической степени сжатия, степени расширения, моментов закрытия впускного клапана 7, фактической степени сжатия, количества всасываемого воздуха, степени открытия дроссельного клапана 17 и насосных потерь вместе с нагрузкой двигателя. Следует отметить, что в данном варианте осуществления для обеспечения возможности того, что трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в устройстве 22 для каталитической нейтрализации выхлопных газов обеспечит одновременное снижение концентрации несгоревших углеводородов, СО и NO в выхлопном газе, обычно осуществляется регулирование с обратной связью среднего отношения количества воздуха к количеству топлива в камере 5 сгорания до получения стехиометрического состава топливной смеси на основе выходного сигнала от датчика 23 отношения количества воздуха к количеству топлива.
Таким образом, как разъяснено выше, во время работы двигателя при высоких нагрузках выполняется обычный цикл, показанный на фиг.8А. Следовательно, как показано на фиг.9, в это время обеспечивается низкая механическая степень сжатия, так что степень расширения становится малой, и, как показано сплошной линией на фиг.9, обеспечивается опережение при определении моментов закрытия впускного клапана 7. Кроме того, в это время количество всасываемого воздуха является большим. В это время степень открытия дроссельного клапана 17 поддерживается такой, что дроссельный клапан 17 будет полностью открыт или по существу полностью открыт, так что насосные потери становятся нулевыми.
С другой стороны, как показано на фиг.9, вместе со снижением нагрузки двигателя механическая степень сжатия увеличивается, следовательно, степень расширения также увеличивается. Кроме того, в это время фактическая степень сжатия поддерживается по существу постоянной, как показано сплошной линией на фиг.9, посредством обеспечения запаздывания при определении моментов закрытия впускного клапана 7 по мере того, как нагрузка двигателя становится меньше. Следует отметить, что также и в это время дроссельный клапан 17 удерживается в полностью открытом или по существу полностью открытом состоянии, следовательно, количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, регулируется не посредством дроссельного клапана 17, но путем изменения моментов закрытия впускного клапана 7. Также и в это время насосные потери становятся нулевыми.
Таким образом, когда нагрузка двигателя снижается по сравнению с состоянием работы двигателя при высоких нагрузках, механическая степень сжатия повышается вместе с уменьшением количества всасываемого воздуха при по существу постоянной фактической степени сжатия. То есть объем камеры 5 сгорания при достижении поршнем 4 верхней мертвой точки при сжатии уменьшается пропорционально уменьшению количества всасываемого воздуха. Следовательно, объем камеры 5 сгорания при достижении поршнем 4 верхней мертвой точки при сжатии изменяется пропорционально количеству всасываемого воздуха. Следует отметить, что в это время отношение количества топлива к количеству воздуха в топливной смеси в камере 5 сгорания становится соответствующим стехиометрическому составу топливной смеси, так что объем камеры 5 сгорания при достижении поршнем 4 верхней мертвой точки при сжатии изменяется пропорционально количеству топлива.
1
Если нагрузка двигателя дополнительно снижается, механическая степень сжатия дополнительно увеличивается. Когда механическая степень сжатия достигнет предельного значения механической степени сжатия, соответствующего конструктивному предельному значению для камеры 5 сгорания, в области нагрузок, которые меньше нагрузки L двигателя в состоянии, когда механическая степень сжатия достигнет предельного значения механической степени сжатия, механическая степень сжатия поддерживается равной предельному значению механической степени сжатия. Следовательно, во время работы двигателя при низких нагрузках механическая степень сжатия становится максимальной и степень расширения также становится максимальной. Используя другой способ в соответствии с настоящим изобретением с тем, чтобы получить максимальную степень расширения во время работы двигателя при низких нагрузках, обеспечивают максимальную механическую степень сжатия. Кроме того, в это время фактическая степень сжатия поддерживается равной по существу такой же фактической степени сжатия, какая имеет место во время работы двигателя при средних и высоких нагрузках.
2
С другой стороны, как показано сплошной линией на фиг.9, обеспечивается тем большее запаздывание моментов закрытия впускного клапана 7 до предельных значений моментов закрытия, обеспечивающих возможность регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, чем в большей степени снижается нагрузка двигателя. В области нагрузок, которые меньше нагрузки L двигателя в то время, когда моменты закрытия впускного клапана 7 достигнут предельных значений моментов закрытия, моменты закрытия впускного клапана 7 поддерживаются равными предельным значениям моментов закрытия. Если моменты закрытия впускного клапана 7 сохраняются равными предельным значениям моментов закрытия, уже нельзя будет регулировать количество всасываемого воздуха посредством изменения моментов закрытия впускного клапана 7. Следовательно, возникнет необходимость в регулировании количества всасываемого воздуха каким-либо другим способом.
2
В варианте осуществления, показанном на фиг.9, в это время, то есть в области нагрузок, которые меньше нагрузки L двигателя в состоянии, когда моменты закрытия впускного клапана 7 достигнут предельных значений моментов закрытия, дроссельный клапан 17 используется для регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания. Тем не менее, если дроссельный клапан 17 используется для регулирования количества всасываемого воздуха, как показано на фиг.9, насосные потери увеличиваются.
2
Следует отметить, что для предотвращения возникновения подобных насосных потерь в области нагрузок, которые меньше нагрузки L двигателя в состоянии, когда моменты закрытия впускного клапана 7 достигнут предельных значений моментов закрытия, в состоянии удерживания дроссельного клапана 17 полностью открытым или по существу полностью открытым может быть обеспечено тем большее отношение количества воздуха к количеству топлива, чем меньше нагрузка двигателя. В это время топливный инжектор 13 предпочтительно расположен в камере 5 сгорания для выполнения сгорания при послойном распределении заряда.
Как показано на фиг.9, во время работы двигателя при малом числе оборотов, независимо от нагрузки двигателя, фактическая степень сжатия поддерживается по существу постоянной. В это время обеспечивается поддержание фактической степени сжатия в диапазоне значений фактической степени сжатия, приблизительно таких же, как во время работы двигателя при средних и высоких нагрузках, ±10%, предпочтительно ±5%. Следует отметить, что в данном варианте осуществления обеспечивается фактическая степень сжатия во время работы двигателя при малом числе оборотов, составляющая приблизительно 10±1, то есть от 9 до 11. Однако, если число оборотов двигателя становится больше, возникает возмущение воздушно-топливной смеси в камере 5 сгорания, так что менее вероятно («затруднено») возникновение стука, следовательно, чем больше число оборотов двигателя в варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением, тем выше фактическая степень сжатия.
С другой стороны, как разъяснено выше, в цикле со сверхвысокой степенью расширения, показанном на фиг.8В, обеспечивается степень расширения, равная 26. Чем больше данная степень расширения, тем лучше, но если она составляет 20 или более, может быть получен очень большой теоретический тепловой коэффициент полезного действия. Следовательно, в настоящем изобретении механизм А регулирования степени сжатия выполнен таким, 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 двигателя. Тем не менее, механическая степень сжатия также может быть изменена ступенчато в соответствии с нагрузкой двигателя.
2
С другой стороны, как показано пунктирной линией на фиг.9, по мере снижения нагрузки двигателя также посредством опережения при определении моментов закрытия впускного клапана 7 можно регулировать количество всасываемого воздуха без зависимости от дроссельного клапана. Следовательно, если со ссылкой на фиг.9 всесторонне отражать как случай, показанный сплошной линией, так и случай, показанный пунктирной линией, в варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением моменты закрытия впускного клапана 7 сдвигаются по мере снижения нагрузки двигателя в направлении от моментов достижения нижней мертвой точки BDC при сжатии до предельных значений моментов закрытия при нагрузке L, обеспечивающих возможность регулирования количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Далее, моменты закрытия выпускного клапана 9 будут разъяснены с особым вниманием к работе при низких нагрузках, когда выполняется цикл со сверхвысокой степенью расширения, показанный на фиг.8В.
Обычно во время работы при низких нагрузках, когда выполняется цикл со сверхвысокой степенью расширения, количество тепла, выделяемого вследствие сгорания воздушно-топливной смеси в самой камере 5 сгорания, мало, так что температура выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания, легко становится низкой. Кроме этого, чем больше степень расширения в двигателе внутреннего сгорания, тем продолжительнее промежуток времени, в течение которого сила, толкающая вниз поршень, действует во время хода расширения, так что большая часть тепловой энергии, вырабатываемой за счет сгорания воздушно-топливной смеси в камере сгорания, превращается в кинетическую энергию поршня. Наряду с этим температура газообразных продуктов горения в камере сгорания в конце хода расширения снижается. По этой причине при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, показанного на фиг.8В, во время хода расширения температура выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, становится чрезвычайно низкой. Эта тенденция проявляется особенно заметно, когда обеспечивается степень расширения, составляющая 20 или более. Между выполнением цикла со сверхвысокой степенью расширения, когда обеспечивается степень расширения, составляющая 20 или более, и обычного цикла, когда обеспечивается степень расширения, составляющая 12 или около этого, температура выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания, отличается приблизительно на 100°С.
x
x
С другой стороны, в большинстве двигателей внутреннего сгорания вредные компоненты, содержащиеся в выхлопном газе (например, углеводороды, СО, NO и т.д.), удаляются посредством обеспечения наличия внутри выпускного канала (выхлопного патрубка) двигателя трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, каталитического нейтрализатора для удерживания и восстановления NO или другого каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа. Подобный каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа не может обеспечить эффективного удаления вредных компонентов в выхлопном газе до тех пор, пока его температура не станет равной температуре активации или более высокой температуре. Таким образом, в большинстве двигателей внутреннего сгорания температура выхлопного газа значительно больше температуры активации, так что обеспечивается проход выхлопного газа в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа для поддержания температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа на уровне температуры активации или выше.
Однако если выполняется цикл со сверхвысокой степенью расширения, показанный на фиг.8В, температура выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, будет только немного выше температуры активации, так что даже в случае обеспечения прохода выхлопного газа в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа становится трудно поддерживать температуру каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа на уровне температуры активации или выше. Следовательно, при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, для поддержания температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа на уровне температуры активации или выше необходимо обеспечить проход как можно большего количества выхлопного газа в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа.
В данном случае со ссылкой на фиг.10А-10С рассматривается зависимость между моментами закрытия выпускного клапана 9 и скоростью потока выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20. Фиг.10А показывает изменения подъема выпускного клапана 9 и впускного клапана 7 в том случае, когда выпускной клапан 9 закрывается по существу в момент достижения верхней мертвой точки при впуске, фиг.10В показывает ту же зависимость в случае, когда выпускной клапан 9 закрывается до момента достижения верхней мертвой точки при впуске, в то время как фиг.10С показывает ту же зависимость в случае, когда выпускной клапан 9 закрывается после момента достижения верхней мертвой точки при впуске.
Как показано на фиг.10В, при закрытии выпускного клапана 9 до момента достижения верхней мертвой точки при впуске объем камеры 5 сгорания при закрытии выпускного клапана 9 будет больше, чем объем камеры сгорания в том случае, когда поршень расположен в верхней мертвой точке при впуске (объем камеры сгорания). После закрытия выпускного клапана 9 выхлопной газ, соответствующий объему камеры 5 сгорания в момент закрытия, остается в камере 5 сгорания. По этой причине даже после закрытия выпускного клапана 9 сравнительно большое количество выхлопного газа остается в камере 5 сгорания. Следовательно, невозможно обеспечить достаточный выход выхлопного газа, имеющегося в камере 5 сгорания, в выхлопной патрубок 20, и скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, становится малой.
С другой стороны, как показано на фиг.10С, при закрытии выпускного клапана 9 после момента достижения верхней мертвой точки при впуске, выпускной клапан 9 будет открыт даже в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке при впуске, так что, когда поршень 4 достигнет верхней мертвой точки при впуске, почти весь выхлопной газ, имеющийся в камере 5 сгорания, выходит наружу в выпускной канал 10. Тем не менее, если выпускной клапан 9 будет открыт даже после достижения поршнем верхней мертвой точки при впуске, часть выхлопного газа, выходящего в выпускной канал 10, прекратит выходить наружу и снова будет поступать в камеру 5 сгорания вместе с опусканием поршня 4.
В частности, при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, во время хода расширения газообразные продукты сгорания в камере 5 сгорания существенно расширяются, так что давление газообразных продуктов сгорания в конце хода расширения будет сравнительно низким. По этой причине сила, действующая со стороны выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выпускной канал 10 в такте выпуска, будет небольшой. Следовательно, если поршень 4 будет опускаться после достижения верхней мертвой точки при впуске, часть выхлопного газа, выходящего в выпускной канал 10, снова будет легко проходить в камеру 5 сгорания.
Таким образом, при закрытии выпускного клапана 9 после достижения поршнем верхней мертвой точки при впуске, выхлопной газ, вышедший в выпускной канал 10, будет снова возвращаться во внутреннее пространство камеры 5 сгорания, так что невозможно будет обеспечить достаточный выход выхлопного газа, имеющегося в камере 5 сгорания, в выхлопной патрубок 20, и скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, будет малой.
Следовательно, в данном варианте осуществления при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, показанного на фиг.8В, то есть тогда, когда механическая степень сжатия является высокой, для предотвращения ситуации, при которой закрытие выпускного клапана 9 будет происходить намного раньше или намного позже момента достижения верхней мертвой точки при впуске, область, в пределах которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, ограничена моментами достижения стороны верхней мертвой точки при впуске.
Фиг.11 представляет собой изображение, показывающее область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9 в соответствии с механической степенью сжатия.
Как показано на фиг.11, область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, становится областью между задаваемыми максимальной величиной опережения и максимальной величиной запаздывания. Как будет понятно из чертежа, величина опережения, которая может быть задана для момента закрытия выпускного клапана 9, будет тем меньше (то есть закрытие будет происходить тем позже), чем выше механическая степень сжатия, в то время как, напротив, максимальная величина запаздывания, которая может быть задана для момента закрытия выпускного клапана 9, будет тем меньше (то есть закрытие будет происходить тем раньше), чем больше механическая степень сжатия. По этой причине область, в которой могут быть заданы значения моментов закрытия выпускного клапана 9, будет тем меньше, чем выше механическая степень сжатия, то есть данная область будет ограничена тем больше, чем выше механическая степень сжатия. Например, как показано на фиг.11, когда механическая степень сжатия является низкой, область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, определяется величиной ΔТОС1, в то время как при высокой степени механического сжатия область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, будет определяться величиной ΔТОС2 (ΔТОС2<ΔТОС1).
Альтернативно, при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, показанного на фиг.8В, то есть в том случае, когда механическая степень сжатия является высокой, для надежного предотвращения ситуации, при которой моменты закрытия выпускного клапана 9 будут наступать слишком рано или слишком поздно по отношению к моментам достижения верхней мертвой точки при впуске, как показано на фиг.10А, можно обеспечить по существу совпадение моментов закрытия впускного клапана 9 с моментами достижения верхней мертвой точки при впуске.
Таким образом, когда механическая степень сжатия является высокой, посредством ограничения области, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, моментами достижения стороны верхней мертвой точки при впуске или посредством обеспечения по существу совпадения моментов закрытия выпускного клапана 9 с моментами достижения верхней мертвой точки при впуске можно обеспечить достаточный выпуск выхлопного газа, имеющегося в камере 5 сгорания, в выхлопной патрубок 20 и обеспечить большую скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа.
То есть обеспечивается закрытие выпускного клапана 9, когда поршень находится рядом с верхней мертвой точкой при впуске, так что, как показано на фиг.10В, по сравнению с закрытием выпускного клапана 9 с опережением по отношению к моменту достижения верхней мертвой точки при впуске, объем камеры 5 сгорания в момент закрытия выпускного клапана 9 будет небольшим и, следовательно, можно уменьшить количество выхлопного газа, остающегося в камере 5 сгорания после закрытия выпускного клапана 9. Кроме того, обеспечивается закрытие выпускного клапана 9, когда поршень находится рядом с верхней мертвой точкой при впуске, так что, как показано на фиг.10С, по сравнению с закрытием выпускного клапана 9 с запаздыванием по отношению к моменту достижения верхней мертвой точке при впуске, количество выхлопного газа, проходящего обратно в камеру 5 сгорания, в выхлопном газе, выходящем в выпускной канал 10, может быть уменьшено. По этой причине, как показано на фиг.10А, когда обеспечивается закрытие выпускного клапана 9, когда поршень находится рядом с верхней мертвой точкой при впуске, как показано на фиг.10В и 10С, по сравнению с ситуацией, когда обеспечивается закрытие выпускного клапана 9 в моменты, когда поршень находится далеко от верхней мертвой точки при впуске, может быть обеспечен достаточный выпуск выхлопного газа, имеющегося в камере 5 сгорания, в выхлопной патрубок 20, и скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, может быть увеличена. В результате, даже во время работы при низких нагрузках при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения можно поддерживать температуру каталитического нейтрализатора на уровне температуры активации или выше.
Следует отметить, что выражение «по существу верхняя мертвая точка при впуске» означает в пределах 10° до и после верхней мертвой точки при впуске, предпочтительно в пределах 5° до и после верхней мертвой точки при впуске.
Кроме того, в случае повышения механической степени сжатия, объем камеры сгорания при достижении верхней мертвой точки при впуске становится меньше и, соответственно, в зависимости от моментов закрытия выпускного клапана 9, выпускной клапан 9 прекратит создавать помехи для поршня 4.
Фиг.10А-10С показывают линию воздействий на поршень, показывающую предельные значения, при которых выпускной клапан 9 или впускной клапан 7 создает помехи для поршня 4. Когда на графике кривая, характеризующая подъем выпускного клапана 9, «соприкасается» с линией воздействий на поршень, это означает, что выпускной клапан 9 создает помехи для поршня 4. В данном случае, как показано на фиг.10С, кривая, характеризующая подъем выпускного клапана 9, пересекается с линией воздействий на поршень. Это означает, что при закрытии выпускного клапана 9 с запаздыванием по отношению к моменту достижения верхней мертвой точки при впуске, в зависимости также от степени запаздывания, выпускной клапан 9 и поршень 4 перестанут создавать помехи друг для друга.
В противоположность этому, в соответствии с данным вариантом осуществления, когда механическая степень сжатия является высокой, область, в которой могут быть заданы моменты закрытия выпускного клапана 9, ограничена моментами достижения стороны верхней мертвой точки при впуске, в частности обеспечивается меньшая величина максимального запаздывания, которая может быть задана для моментов закрытия выпускного клапана 9. По этой причине, как показано на фиг.10А, даже если механическая степень сжатия станет выше, можно предотвратить ситуацию, при которой выпускной клапан 9 будет создавать помехи для поршня 4.
Тем не менее, когда имеет место перекрытие клапанов, при котором промежуток времени открытия впускного клапана 7 и промежуток времени открытия выпускного клапана 9 перекрываются, количество выхлопного газа, выходящего из внутреннего пространства камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, изменяется даже во время данного промежутка времени. Ниже со ссылкой на фиг.12А и 12В рассматривается зависимость между промежутком времени перекрытия, когда промежуток времени открытия впускного клапана 7 и промежуток времени открытия выпускного клапана 9 перекрываются, и количеством выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20. Фиг.12А показывает случай, когда промежуток времени перекрытия является нулевым, в то время как фиг.12В показывает изменения подъемов выпускного клапана 9 и впускного клапана 7, когда промежуток времени перекрытия является большим.
Обычно, когда впускной клапан 7 и выпускной клапан 9 открыты одновременно, часть выхлопного газа, имеющегося в камере 5 сгорания, и часть выхлопного газа, уже вышедшего из камеры 5 сгорания в выпускной канал 10, иногда будут проходить во впускной канал 8. Таким образом, когда часть выхлопного газа проходит во впускной канал 8, количество выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, будет меньше на величину данной части.
Следовательно, когда промежуток времени перекрытия будет большим, как показано на фиг.12В, выхлопной газ часто будет проходить во впускной канал 8 в большом количестве. Следовательно, количество выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, часто будет уменьшаться. По этой причине в данном случае скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, становится меньше.
Следовательно, в данном варианте осуществления при выполнении цикла со сверхвысокой степенью расширения, показанного на фиг.8В, то есть тогда, когда механическая степень сжатия является высокой, как показано на фиг.12А, обеспечивается регулирование моментов закрытия выпускного клапана 9 и моментов открытия впускного клапана 7 таким образом, чтобы они были наименьшими в области, в которой может быть задан промежуток времени перекрытия. Следовательно, например, в двигателе внутреннего сгорания, в котором задаваемый промежуток времени перекрытия становится соответствующим диапазону от 10° до 60°, при высокой механической степени сжатия обеспечивается промежуток времени перекрытия, соответствующий 10°, в то время как в двигателе внутреннего сгорания, в котором задаваемый промежуток времени перекрытия становится соответствующим диапазону от 0° до 50°, при высокой механической степени сжатия обеспечивается промежуток времени перекрытия, соответствующий 0°.
Таким образом, когда механическая степень сжатия является высокой, посредством минимизации промежутка времени перекрытия обеспечивается уменьшение количества выхлопного газа, проходящего во впускной канал 8, так что количество выхлопного газа, выходящего из камеры 5 сгорания в выхлопной патрубок 20, становится большим и соответственно скорость потока выхлопного газа, проходящего в каталитический нейтрализатор для очистки выхлопа, становится больше.
Следует отметить, что необязательно обеспечивать минимальный промежуток времени перекрытия при высокой механической степени сжатия при условии, что он будет короче, чем промежуток времени перекрытия при низкой степени сжатия. Следовательно, например, промежуток времени перекрытия при высокой механической степени сжатия должен соответствовать только 10° или менее из задаваемого диапазона даже при минимуме.
Кроме того, как разъяснено выше, в случае повышения механической степени сжатия объем камеры сгорания при достижении верхней мертвой точки при впуске становится меньше. Соответственно, в зависимости от моментов открытия впускного клапана 7, впускной клапан 7 прекратит создавать помехи для поршня 4.
Фиг.12А и 12В показывают линию воздействий на поршень, показывающую предельные значения, при которых выпускной клапан 9 или впускной клапан 7 создает помехи для поршня 4. Если кривая, характеризующая подъем впускного клапана 7, пересекается с линией воздействий на поршень, это означает, что впускной клапан 7 будет создавать помехи для поршня 4. В данном случае, как показано на фиг.12В, кривая, характеризующая подъем впускного клапана 7, пересекается с линией воздействий на поршень. Это означает, что в случае увеличения промежутка времени перекрытия впускной клапан 7 и поршень 4 перестанут создавать помехи друг для друга. То есть в данном варианте осуществления, как разъяснено выше, обеспечивается ситуация, при которой моменты закрытия выпускного клапана 9 будут по существу соответствовать моментам достижения верхней мертвой точки при впуске. Наличие большого промежутка времени перекрытия означает, что обеспечивается значительное опережение по времени моментов открытия впускного клапана 7. Если будет обеспечено значительное опережение моментов открытия впускного клапана 7, впускной клапан 7 и поршень 4 перестанут создавать помехи друг для друга.
В противоположность этому, в соответствии с данным вариантом осуществления при высокой механической степени сжатия обеспечивается минимальный промежуток времени перекрытия, так что обеспечивается ситуация, при которой моменты открытия впускного клапана 7 будут по существу соответствовать моментам достижения верхней мертвой точки при впуске или будут иметь место раньше. По этой причине, как показано на фиг.12А, даже если механическая степень сжатия становится высокой, может быть предотвращена ситуация, при которой впускной клапан 7 будет создавать помехи для поршня.
Фиг.13 показывает программу управления в рамках оперативного регулирования двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием по данному варианту осуществления. Как показано на фиг.13, сначала на шаге 101 выбираются нагрузка L двигателя и число Ne оборотов двигателя. Далее, на шаге 102 многомерная регулировочная характеристика (карта), показанная на фиг.14А, используется для определения заданной фактической степени сжатия. Как показано на фиг.14А, данная заданная фактическая степень сжатия становится тем выше, чем больше число Ne оборотов двигателя. Далее, на шаге 103 многомерная регулировочная характеристика, показанная на фиг.14В, используется для определения механической степени CR сжатия. То есть механическая степень CR сжатия, необходимая для того, чтобы сделать фактическую степень сжатия равной заданной фактической степени сжатия, заранее сохранена в постоянном запоминающем устройстве 32 как функция нагрузки L двигателя и числа Ne оборотов двигателя в виде многомерной регулировочной характеристики (карты), подобной показанной на фиг.14В. Данная многомерная регулировочная характеристика используется для определения механической степени CR сжатия.
Кроме того, моменты IC закрытия впускного клапана 7, необходимые для подачи требуемого количества всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, сохранены заранее в постоянном запоминающем устройстве 32 как функция нагрузки L двигателя и числа Ne оборотов двигателя в виде многомерной регулировочной характеристики, подобной показанной на фиг.14С. На шаге 104 данная многомерная регулировочная характеристика используется для определения моментов IC времени закрытия впускного клапана 7.
3
3
3
Далее, на шаге 105 устанавливается, будет ли нагрузка L двигателя меньше заданной величины L. В данном случае, например, эта заданная величина L представляет собой величину, равную нагрузке двигателя, при которой при уменьшении нагрузки двигателя падение температуры выхлопного газа может сопровождаться снижением температуры каталитического нейтрализатора для очистки выхлопа до температуры, которая меньше температуры активации. Если на шаге 105 будет установлено, что нагрузка L двигателя меньше заданной величины L, программа переходит к шагу 106. На шаге 106 моменты ЕС закрытия выпускного клапана 9 устанавливаются по существу совпадающими с моментами достижения верхней мертвой точки при впуске. Далее, на шаге 107 устанавливается минимальный промежуток ΔOL времени перекрытия и программа переходит к шагу 110.
3
С другой стороны, если на шаге 105 будет установлено, что нагрузка двигателя равна заранее заданной величине L или превышает ее, программа переходит к шагу 108. На шаге 108 многомерная регулировочная характеристика (карта), показанная на фиг.15А, используется для определения моментов ЕС закрытия выпускного клапана 9, далее на шаге 109 многомерная регулировочная характеристика, показанная на фиг.15В, используется для определения промежутка ΔOL времени перекрытия. То есть моменты ЕС времени закрытия выпускного клапана 9 и промежуток ΔOL времени перекрытия сохранены заранее в постоянном запоминающем устройстве 32 как функции нагрузки L двигателя и числа Ne оборотов двигателя в виде многомерных регулировочных характеристик, показанных на фиг.15А и 15В. Данные многомерные регулировочные характеристики используются для определения моментов ЕС закрытия выпускного клапана 9 и промежутка ΔOL времени перекрытия. После этого программа переходит к шагу 110.
На шаге 110 механическая степень сжатия устанавливается равной механической степени CR сжатия посредством управления механизмом А регулирования степени сжатия, в то время как моменты закрытия впускного клапана 7 устанавливаются равными моментам 1C закрытия, и промежуток времени перекрытия устанавливается равным промежутку ΔOL времени перекрытия посредством управления механизмом В регулирования времени открытия и закрытия впускного клапана. Кроме того, моменты закрытия выпускного клапана 9 устанавливаются равными моментам ЕС закрытия посредством управления механизмом С регулирования времени открытия и закрытия выпускного клапана.
Несмотря на то, что изобретение было описано посредством ссылки на определенные варианты осуществления, выбранные для иллюстрации, должно быть очевидным то, что специалисты в данной области техники могут выполнить их многочисленные модификации без отхода от основной идеи и объема изобретения.