Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием

Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Известный уровень техники

В уровне техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, снабженный механизмом изменения степени сжатия, который может изменять механическую степень сжатия, и механизмом изменения момента открытия и закрытия клапана, который может регулировать момент закрытия впускного клапана и который предназначен для поддержания фактической степени сжатия по существу постоянной независимо от нагрузки на двигатель (см., например, патентный документ 1). В этом двигателе внутреннего сгорания при увеличении нагрузки на двигатель, т.е. когда требуемое количество всасываемого воздуха увеличивается, момент закрытия впускного клапана устанавливается с опережением, чтобы приблизить его к нижней мертвой точке при впуске. При этом, чтобы поддержать фактическую степень сжатия по существу постоянной, механическую степень сжатия снижают при увеличении требуемого количества всасываемого воздуха.

Список ссылок

Патентные документы

Патентный документ 1: опубликованная патентная заявка Японии (А) №2007-303423

Краткое изложение сущности изобретения

Техническая задача

В связи с этим, если таким образом изменять момент закрытия впускного клапана и механическую степень сжатия в соответствии с требуемым количеством всасываемого воздуха, то обычно скорости, с которыми можно изменять момент закрытия впускного клапана и механическую степень сжатия, отличаются друг от друга. Вообще говоря, для изменения механической степени сжатия требуется больше времени, чем для изменения момента закрытия впускного клапана. Поэтому, например, когда требуемое количество всасываемого воздуха уменьшают, скорость задержки момента закрытия впускного клапана становится больше, чем скорость увеличения механической степени сжатия и поэтому количество всасываемого воздуха уменьшают до того, как механическая степень сжатия увеличится. В результате возникает проблема, заключающаяся в том, что конечное давление сжатия в камере сгорания становится выше и вследствие этого происходит детонация.

В противоположность этому, если момент закрытия впускного клапана медленно перемещают на опережение при увеличении требуемого количества всасываемого воздуха, возникает проблема в том, что количество всасываемого воздуха будет только медленно увеличиваться, и в результате нельзя обеспечить работу по ускорению с надлежащим ответным действием.

С другой стороны, если момент закрытия впускного клапана быстро перемещается на опережение при уменьшении требуемого количества всасываемого воздуха, возникает проблема в том, что количество всасываемого воздуха уменьшается до того, как механическая степень сжатия повысится, и в результате конечное давление сжатия становится ниже, поэтому нельзя достичь надлежащего сгорания. В противоположность этому, при медленной задержке момента закрытия впускного клапана, когда требуемое количество всасываемого воздуха уменьшается, существует проблема в том, что не обеспечивается работа по замедлению с надлежащим ответным действием.

То есть, чтобы обеспечить работу по ускорению с надлежащим ответным действием, когда требуемое количество всасываемого воздуха изменяется, необходимо изменить момент закрытия впускного клапана насколько возможно быстро, обеспечивая надлежащее сгорание. Однако в вышеупомянутом внутреннем двигателе внутреннего сгорания это вообще не учитывается.

Целью настоящего изобретения является обеспечение двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который может обеспечить работу с надлежащим ответным действием при поддержании надлежащего сгорания, когда требуемое количество всасываемого воздуха изменяется.

Решение задачи

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий механизм изменения степени сжатия, который может изменять механическую степень сжатия, и механизм изменения момента открытия и закрытия клапана, который может регулировать момент закрытия впускного клапана, в котором устанавливается запретная зона для сочетания механической степени сжатия и момента закрытия впускного клапана, при этом предотвращается вход рабочей точки, показывающей указанное сочетание механической степени сжатия и момента закрытия впускного клапана, в запретную зону независимо от рабочего состояния двигателя, а когда количество всасываемого воздуха изменяется, рассчитывается целевая рабочая точка, которая может быть достигнута за фиксированное время без входа в запретную зону из текущей рабочей точки по направлению к рабочей точке, удовлетворяющей требуемому количеству всасываемого воздуха, чтобы изменить механическую степень сжатия и момент закрытия впускного клапана по направлению к целевой рабочей точке.

Полезные эффекты изобретения

Для обеспечения работы с надлежащим ответным действием, когда требуемое количество всасываемого воздуха изменяется, предпочтительно изменять рабочую точку механической степени сжатия и момента закрытия впускного клапана как можно быстрее до рабочей точки, удовлетворяющей требуемому количеству всасываемого воздуха. Однако, если в это время рабочая точка входит в запретную зону, сгорание заканчивается с ухудшением. Поэтому в настоящем изобретении сначала рассчитывается целевая рабочая точка, не входящая в запретную зону, затем изменяют механическую степень сжатия и момент закрытия впускного клапана по направлению к рассчитанной таким образом целевой рабочей точке. При этом рабочая точка, удовлетворяющая требуемому количеству всасываемого воздуха, может быть быстро достигнута без входа рабочей точки в запретную зону, и поэтому работа с быстрым ответным действием становится возможной при обеспечении надлежащего сгорания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием в общих чертах.

Фиг.2 представляет собой общий вид механизма изменения степени сжатия в разобранном состоянии.

Фиг.3 представляет собой схематичный продольный разрез показанного двигателя внутреннего сгорания.

Фиг.4 представляет собой вид, на котором показан механизм изменения момента открытия и закрытия клапана.

Фиг.5 представляет собой вид, на котором показаны величины подъема впускного клапана и выпускного клапана.

Фиг.6 представляет собой вид, на котором поясняются механическая степень сжатия, фактическая степень сжатия и степень расширения.

Фиг.7 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между теоретическим тепловым кпд и степенью расширения.

Фиг.8 представляет собой вид, на котором поясняются обычный цикл и цикл со сверхвысокой степенью расширения.

Фиг.9 представляет собой вид, на котором показаны изменения механической степени сжатия и т.д. в соответствии с нагрузкой на двигатель.

Фиг.10 представляет собой вид, на котором показаны запретные зоны и целевая рабочая линия.

Фиг.11 представляет собой вид, на котором показаны запретные зоны и целевая рабочая линия.

Фиг.12 представляет собой вид, на котором показана запретная зона.

Фиг.13 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.14 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.15 представляет собой вид, на котором показаны изменения механической степени сжатия, момента закрытия впускного клапана и степени открытия дроссельной заслонки.

Фиг.16 представляет собой вид, на котором показана величина изменения механической степени сжатия за фиксированное время.

Фиг.17 представляет собой вид, на котором показана величина изменения механической степени сжатия за фиксированное время.

Фиг.18 представляет собой вид, на котором показана величина изменения механической степени сжатия за фиксированное время.

Фиг.19 представляет собой вид, на котором показана величина изменения механической степени сжатия за фиксированное время.

Фиг.20 представляет собой вид, на котором показаны изменения механической степени сжатия, момента закрытия впускного клапана и степени открытия дроссельной заслонки.

Фиг.21 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.22 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.23 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.24 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.25 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.26 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.27 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.28 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.29 представляет собой вид, на котором показаны изменения механической степени сжатия, момента закрытия впускного клапана, степени открытия дроссельной заслонки и т.д.

Фиг.30 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.31 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.32 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.33 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.34 представляет собой вид, на котором показаны целевая рабочая точка и рабочая точка.

Фиг.35 представляет собой временную диаграмму, показывающую изменения механической степени сжатия, момента закрытия впускного клапана, степени открытия дроссельной заслонки и т.д.

Фиг.36 представляет собой последовательность действий для вычисления целевого значения.

Фиг.37 представляет собой последовательность действий по управлению приведением в действие механизма изменения степени сжатия и т.д.

Описание примеров осуществления

Фиг.1 представляет собой продольное сечение двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

На фиг.1 позицией 1 обозначен картер двигателя, позицией 2 - блок цилиндров, позицией 3 - головка блока цилиндров, позицией 4 - поршень, позицией 5 - камера сгорания, позицией 6 - свеча зажигания, расположенная в центре верхней поверхности камеры сгорания 5, позицией 7 - впускной клапан, позицией 8 - впускное отверстие, позицией 9 - выпускной клапан и позицией 10 - выпускное отверстие. Каждое впускное отверстие 8 сообщается через впускной патрубок 11 с уравнительной камерой 12. У каждого впускного патрубка 11 расположена топливная форсунка 13 для впрыскивания топлива в соответствующее впускное отверстие 8. Следует отметить, что топливные форсунки 13 можно также расположить внутри камер сгорания 5, а не прикреплять к впускным патрубкам 11.

Уравнительная камера 12 сообщена через впускной канал 14 с воздушным фильтром 15. Внутри впускного канала 14 размещены дроссельная заслонка 17, которую приводит в действие исполнительный механизм 16, и датчик 18 количества всасываемого воздуха, в котором используется, например, проволока высокого сопротивления. С другой стороны, каждое выпускное отверстие 10 сообщается через выпускную трубу 19 с каталитическим преобразователем 20, в котором установлен, например, катализатор тройного действия. В выпускной трубе 19 расположен измеритель 21 соотношения воздуха и топлива.

С другой стороны, в примере осуществления, показанном на фиг.1, на соединительной части картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров обеспечивается механизм А изменения степени сжатия, который может изменять взаимное положение картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в осевом направлении цилиндров, чтобы изменять объем камеры сгорания 5, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке при сжатии. Кроме того, обеспечивается механизм В изменения момента начала фактического действия сжатия, который может изменять момент начала фактического действия сжатия. Необходимо отметить, что в примере осуществления, показанном на фиг.1, этот механизм В изменения момента начала фактического действия сжатия содержит механизм изменения момента открытия и закрытия клапана, который может регулировать момент закрытия впускного клапана 7.

Как показано на фиг.1, картер 1 двигателя и блок 2 цилиндров имеют прикрепленный к ним датчик 22 относительного положения для определения относительного положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров. Этот датчик 22 относительного положения выдает выходной сигнал, показывающий изменение расстояния между блоком 2 цилиндров и картером 1 двигателя. Кроме того, к механизму В изменения момента открытия и закрытия клапана прикреплен датчик 23 момента открытия и закрытия впускного клапана, генерирующий выходной сигнал, показывающий момент закрытия каждого впускного клапана 7, в то время как к исполнительному механизму 16 для приведения в действие и использования дроссельной заслонки прикреплен датчик 24 степени открытия дроссельной заслонки, генерирующий выходной сигнал, показывающий степень открытия дроссельной заслонки.

Электронный блок управления 30 содержит цифровой компьютер, снабженный ПЗУ (постоянным запоминающим устройством) 32, ОЗУ (оперативным запоминающим устройством) 33, центральным процессором ЦП (микропроцессором) 34, входным портом 35 и выходным портом 36, которые соединены друг с другом двунаправленной шиной 31. Выходные сигналы датчика 18 количества всасываемого воздуха, измерителя 21 соотношения воздуха и топлива, датчика 22 относительного положения, датчика 23 момента открытия и закрытия клапана и датчика 24 степени открытия дроссельной заслонки вводятся через соответствующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 37 во входной порт 35. Кроме того, педаль 40 акселератора присоединена к датчику нагрузки 41, который генерирует выходное напряжение, пропорциональное величине нажатия L на педаль 40 акселератора. Выходное напряжение датчика нагрузки 41 подается через соответствующий АЦП 37 на входной порт 35. Кроме того, входной порт 35 соединен с датчиком 42 угла поворота коленчатого вала, генерирующим выходной импульс при каждом повороте коленчатого вала, например, на 30°. С другой стороны, выходной порт 36 подключен через соответствующие схемы возбуждения 38 к свечам зажигания 6, топливным форсункам 13, исполнительному механизму 16 для приведения в действие и использования дроссельной заслонки, механизму А изменения степени сжатия и механизму В изменения момента открытия и закрытия клапана.

Фиг.2 представляет собой общий вид механизма А изменения степени сжатия в разобранном состоянии, который показан на фиг.1, а фиг.3 представляет собой схематичный продольный разрез показанного двигателя внутреннего сгорания. Согласно фиг.2 внизу двух боковых стенок блока 2 цилиндров выполнено множество выступающих частей 50 с интервалами друг от друга. В выступающих частях 50 выполнены отверстия 51 круглого поперечного сечения под кулачок. С другой стороны, на верхней поверхности картера 1 двигателя выполнено множество выступающих частей 52 с интервалами друг от друга, которые входят между соответствующими выступающими частями 50. В этих выступающих частях 52 также выполнены отверстия 53 круглого поперечного сечения под кулачки.

Как показано на фиг.2, имеется пара распределительных валов 54 и 55. На распределительных валах 54 и 55 закреплены с чередованием через одну позицию дисковые кулачки 58, способные при вращении входить в отверстия 53 под кулачок. Эти дисковые кулачки 58 соосны осям вращения распределительных валов 54 и 55. С другой стороны, по обеим сторонам каждого дискового кулачка 58, как показано на фиг.3, расположены эксцентриковые валы 57, установленные эксцентрично по отношению к осям вращения распределительных валов 54 и 55. На эксцентриковых валах 57 эксцентрично закреплены с возможностью вращения другие дисковые кулачки 56. Как показано на фиг.2, эти дисковые кулачки 56 расположены по обеим сторонам каждого дискового кулачка 58. При вращении эти дисковые кулачки 56 входят в соответствующие отверстия 51 под кулачки. Кроме того, как показано на фиг.2, к распределительному валу 55 прикреплен датчик 25 угла поворота кулачка, генерирующий выходной сигнал, показывающий угол поворота распределительного вала 55.

Если дисковые кулачки 58, которые прикреплены к распределительным валам 54 и 55, вращают в противоположных направлениях, как показано стрелками на фиг.3(А), из положения, показанного на фиг.3(А), эксцентриковые валы 57 перемещаются в противоположных направлениях, поэтому дисковые кулачки 56 вращаются в противоположных направлениях от дисковых кулачков 58 в отверстиях 51 под кулачки, и, как показано на фиг.3(В), положения эксцентриковых валов 57 изменяются от верхних положений к положениям промежуточной высоты. Далее, если дисковые кулачки 58 вращать в направлении по стрелке, как показано на фиг.3(С), то эксцентриковые валы 57 займут самое нижнее положение.

Необходимо отметить, что на фиг.3(А), фиг.3(В) и фиг.3(С) показано взаимное расположение центра "а" дискового кулачка 58, центра "b" эксцентрикового вала 57 и центра "с" дискового кулачка 56 в соответствующих состояниях.

Как можно понять из сравнения фиг.3(А)-3(С), относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров определяются расстоянием между центром "а" дискового кулачка 58 и центром "с" дискового кулачка 56. Чем больше расстояние между центром "а" дискового кулачка 58 и центром "с" дискового кулачка 56, тем дальше блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. То есть механизм А изменения степени сжатия изменяет взаимное положение картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров с помощью кривошипно-шатунного механизма, в котором используется вращающийся кулачок. Если блок 2 цилиндров удаляется от картера 1 двигателя, объем камеры сгорания 5, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке при сжатии, увеличивается, поэтому путем вращения распределительных валов 54 и 55 можно изменить объем камеры сгорания, когда поршень 4 расположен в верхней мертвой точке при сжатии.

Как показано на фиг.2, чтобы распределительные валы 54 и 55 вращались в противоположных направлениях, вал приводного электродвигателя 59 снабжен парой червяков 61 и 62 с противоположным направлением резьбы. Червячные колеса 63 и 64, взаимодействующие с этими червяками 61 и 62, прикреплены к концам распределительных валов 54 и 55. В этом примере осуществления путем приведения в действие приводного электродвигателя 59 можно в широком диапазоне изменять объем камеры сгорания 5, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке при сжатии.

С другой стороны, на фиг.4 показан механизм В изменения момента открытия и закрытия клапана, который присоединен к концу распределительного вала 70 для приведения в действие впускного клапана 7 на фиг.1. Согласно фиг.4 этот механизм В изменения момента открытия и закрытия клапана снабжен синхронным шкивом 71, который приводится во вращение коленчатым валом двигателя с помощью зубчатого ремня в направлении стрелки; цилиндрическим корпусом 72, который вращается вместе с синхронным шкивом 71; валом 73, который вращается вместе с распределительным валом 70 для приведения в действие впускного клапана и может вращаться относительно цилиндрического корпуса 72; множеством перемычек 74, которые расположены от внутренней окружности цилиндрического корпуса 72 до наружной окружности вала 73; и лопатками 75, которые расположены между перемычками 74 от наружной окружности вала 73 до внутренней окружности цилиндрического корпуса 72. По обеим сторонам лопаток 75 образованы гидравлические камеры 76, используемые для опережения, и гидравлические камеры 77, используемые для задержки.

Подача рабочего масла в гидравлические камеры 76 и 77 регулируется регулирующим клапаном 78 подачи рабочего масла. Этот регулирующий клапан 78 подачи рабочего масла снабжен гидравлическими каналами 79 и 80, которые сообщаются с гидравлическими камерами 76 и 77, каналом 82 подачи для рабочего масла, которое подается от гидравлического насоса 81, парой дренажных каналов 83 и 84 и золотниковым клапаном 85 для управления сообщением и разобщением каналов 79, 81, 82, 83 и 84.

Когда необходимо обеспечить опережение фазы кулачков распределительного вала 70 для приведения впускного клапана в действие, золотниковый клапан 85 на фиг.4 перемещают вправо, рабочее масло, которое подается по каналу 82 подачи, проходит через гидравлический канал 79 в гидравлические камеры 76, используемые для опережения, а рабочее масло из гидравлических камер 77, используемых для задержки, выводится по дренажному каналу 84. При этом вал 73 вращают относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении стрелки.

И, наоборот, когда необходимо обеспечить задержку фазы кулачков распределительного вала 70 для приведения в действие впускного клапана, золотниковый клапан 85 на фиг.4 перемещают влево, рабочее масло, которое подается по каналу 82 подачи, проходит через гидравлический канал 80 в гидравлические камеры 77, используемые для задержки, а рабочее масло из гидравлических камер 76, используемых для опережения, отводится по дренажному каналу 83. При этом вал 73 вращают относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, противоположном стрелке.

Когда вал 73 вращают относительно цилиндрического корпуса 72, то, если золотниковый клапан 85 возвращается в нейтральное положение, показанное на фиг.4, относительное вращение вала 73 прекращают. В это время вал 73 удерживается в положении относительного вращения. Поэтому можно использовать механизм В изменения момента открытия и закрытия клапана таким образом, чтобы обеспечить опережение или отставание фазы кулачков распределительного вала 70 для приведения в действие впускного клапана точно на желаемую величину.

На фиг.5 сплошной линией показано время, когда фаза кулачка распределительного вала 70 для приведения впускного клапана в действие и использования имеет максимальное опережение, тогда как пунктирной линией показано, когда фаза кулачка распределительного вала 70 для приведения впускного клапана в действие и использования имеет максимальную задержку с помощью механизма В изменения момента открытия и закрытия клапана. Поэтому период открытия впускного клапана 7 может быть установлен в любом диапазоне в зоне, показанной сплошной линией на фиг.5, и в диапазоне, показанном пунктирной линией, поэтому момент закрытия впускного клапана 7 может быть также установлен в соответствии с любым углом поворота коленчатого вала в диапазоне, показанном стрелкой "с" на фиг.5.

Механизм В изменения момента открытия и закрытия клапана, показанный на фиг.1 и фиг.4, представляет собой один пример. Например, можно использовать механизм изменения момента открытия и закрытия клапана, который изменяет только момент закрытия впускного клапана при сохранении момента открытия впускного клапана постоянным, или другие различные типы механизмов изменения момента открытия и закрытия клапана.

Далее значение терминов, используемых в настоящей заявке, будет объяснено со ссылкой на фиг.6. Необходимо отметить, что на фиг.6(А), 6(В) и 6(С) для пояснительных целей показан двигатель с объемом камер сгорания 50 мл и рабочим объемом цилиндра поршня 500 мл. На этих фиг.6(А), 6(В) и 6(С) «объем камеры сгорания» означает объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке при сжатии.

Фиг.6(А) объясняет механическую степень сжатия. Механическая степень сжатия представляет собой величину, определяемую механически только по рабочему объему цилиндра поршня и объему камеры сгорания во время такта сжатия. Эта механическая степень сжатия выражается как (объем камеры сгорания + рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(А), эта механическая степень сжатия определяется как (50 мл+500 мл)/50 мл=11.

Фиг.6(В) объясняет фактическую степень сжатия. Эта фактическая степень сжатия представляет собой величину, определяемую по фактическому рабочему объему цилиндра поршня и объему камеры сгорания с момента, когда действие сжатия фактически начинается, до момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки при сжатии. Эта фактическая степень сжатия выражается как (объем камеры сгорания + фактический рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. То есть, как показано на фиг.6(В), даже если поршень начинает подниматься на такте сжатия, действие сжатия не будет осуществляться, пока впускной клапан открыт. Фактическое действие сжатия начинается после закрытия впускного клапана. Поэтому фактическая степень сжатия выражается так, как указано выше, с использованием фактического рабочего объема цилиндра. В примере, показанном на фиг.6(В), фактическая степень сжатия определяется как (50 мл+450 мл)/50 мл=10.

Фиг.6(С) объясняет степень расширения. Степень расширения представляет собой величину, определяемую по рабочему объему цилиндра поршня и объему камеры сгорания во время такта расширения. Эта степень расширения выражается как (объем камеры сгорания + рабочий объем цилиндра)/объем камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6 (С), эта степень расширения определяется как (50 мл+500 мл)/50 мл=11.

Далее со ссылкой на фиг.7 и 8 будет пояснен цикл со сверхвысокой степенью расширения, который используется в настоящем изобретении. Необходимо отметить, что на фиг.7 показана взаимосвязь между теоретическим тепловым кпд и степенью расширения, а на фиг.8 показано сравнение обычного цикла и цикла со сверхвысокой степенью расширения, которые используются в настоящем изобретении выборочно в соответствии с нагрузкой.

На фиг.8(А) показан обычный цикл в случае, когда впускной клапан закрывается около нижней мертвой точки и действие сжатия посредством поршня начинается по существу около нижней мертвой точки при впуске. В примере, показанном на фиг.8(А), как и в примере, показанном на фиг.6(А), 6(В) и 6(С), объем камеры сгорания равен 50 мл, а рабочий объем цилиндра поршня - 500 мл. Как можно понять из фиг.8(А), в обычном цикле механическая степень сжатия равна (50 мл+500 мл)/50 мл=11, фактическая степень сжатия также равна приблизительно 11, степень расширения также становится равной (50 мл+500 мл)/50 мл=11. То есть в обычном двигателе внутреннего сгорания механическая степень сжатия, фактическая степень сжатия и степень расширения становятся по существу одинаковыми.

Сплошной линией на фиг.7 показано изменение теоретического теплового кпд в том случае, когда фактическая степень сжатия и степень расширения являются по существу одинаковыми, т.е. в обычном цикле. В этом случае понятно, что чем выше степень расширения, т.е. чем выше фактическая степень сжатия, тем выше теоретический тепловой кпд. Поэтому в обычном цикле, чтобы увеличить теоретический тепловой кпд, достаточно увеличить фактическую степень сжатия. Однако из-за ограничений, связанных с возникновением детонации во время работы двигателя с высокой нагрузкой, фактическая степень сжатия может быть увеличена только до максимального значения, равного приблизительно 12. Соответственно в обычном цикле теоретический тепловой кпд не может быть достаточно высоким.

С другой стороны, в этой ситуации, чтобы повысить теоретический тепловой кпд, были проведены исследования при строгом различении механической степени сжатия и фактической степени сжатия, и в результате было обнаружено, что в теоретическом тепловом кпд преобладает степень расширения и на него во многом не влияет фактическая степень сжатия. То есть, если увеличить фактическую степень сжатия, сила взрыва возрастет, но сжатие требует большой энергии, соответственно, даже если увеличить фактическую степень сжатия, теоретический тепловой кпд намного не увеличится.

В противоположность этому, если увеличивать степень расширения, то тем длительнее будет период времени, в течение которого на поршень во время такта расширения действует нажимающая сила, поэтому продолжительнее становится период времени, в течение которого поршень создает вращательное усилие на коленчатый вал. Поэтому чем больше степень расширения, тем выше теоретический тепловой кпд. Пунктирная линия ε=10 на фиг.7 показывает теоретический тепловой кпд в случае увеличения степени расширения в состоянии фиксации фактической степени сжатия при 10. Таким образом, понятно, что нет большого отличия между величиной повышения теоретического теплового кпд при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия ε поддерживается на низком уровне, и величиной повышения теоретического теплового кпд, когда фактическую степень сжатия увеличивают вместе со степенью расширения, как показано сплошной линией на фиг.7.

Если фактическая степень сжатия поддерживается на низком уровне таким образом, детонации не произойдет. Поэтому, если повысить степень расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на низком уровне, детонацию можно предотвратить и при этом можно значительно увеличить теоретический тепловой кпд. На фиг.8(В) показан пример случая использования механизма А изменения степени сжатия и механизма В изменения момента открытия и закрытия клапана для поддержания фактической степени сжатия на низком уровне и повышения при этом степени расширения.

В примере на фиг.8(В) механизм А изменения степени сжатия используется для уменьшения объема камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм В изменения момента открытия и закрытия клапана используется для задержки момента закрытия впускного клапана до тех пор, пока объем фактического такта поршня не изменится с 500 мл до 200 мл. В результате в этом примере фактическая степень сжатия становится (20 мл+200 мл)/20 мл=11, в то время как степень расширения становится (20 мл+500 мл)/20 мл=26. В обычном цикле, показанном на фиг.8(А), как объяснено выше, фактическая степень сжатия приблизительно равна 11 и степень расширения равна 11. По сравнению с этим случаем в случае, показанном на фиг.8(В), понятно, что только степень расширения увеличивается до 26. По этой причине такой цикл называется «цикл со сверхвысокой степенью расширения».

Вообще говоря, в двигателе внутреннего сгорания чем меньше нагрузка на двигатель, тем хуже тепловой кпд. Поэтому для повышения теплового кпд во время работы транспортного средства, то есть для повышения топливной экономичности, становится необходимым повышение теплового кпд во время, когда нагрузка на двигатель является низкой. С другой стороны, в цикле со сверхвысокой степенью расширения, показанном на фиг.8(В), фактический рабочий объем цилиндра поршня во время такта сжатия делают меньше, поэтому количество всасываемого воздуха, которое может поступать в камеру сгорания 5, становится меньше, следовательно, такой цикл со сверхвысокой степенью расширения может использоваться только тогда, когда нагрузка на двигатель является относительно низкой. Поэтому в настоящем изобретении, когда нагрузка на двигатель является относительно низкой, используется цикл со сверхвысокой степенью расширения, показанный на фиг.8(В), а во время работы двигателя с высокой нагрузкой используется обычный цикл, показанный на фиг.8(А).

Далее со ссылкой на фиг.9 будет объяснено операционное управление в целом.

На фиг.9 показаны изменения количества всасываемого воздуха, момента закрытия впускного клапана, механической степени сжатия, степени расширения, фактической степени сжатия и степени открытия дроссельной заслонки 17 в соответствии с нагрузкой на двигатель при некоторой частоте вращения двигателя. Необходимо отметить, что на фиг.9 показан случай, когда среднее соотношение воздуха и топлива в камере сгорания 5 регулируется с использованием обратной связи по стехиометрическому соотношению воздуха и топлива на основании выходного сигнала измерителя 21 соотношения воздуха и топлива, так что катализатор тройного действия в каталитическом преобразователе 20 может одновременно уменьшать количество несгоревших углеводородов, СО, и NO_x в выхлопных газах.

Итак, как объяснено выше, во время работы двигателя с высокой нагрузкой выполняется обычный цикл, показанный на фиг.8(А). Поэтому, как показано на фиг.9, в это время механическую степень сжатия снижают, поэтому степень расширения является низкой. Как показано сплошной линией на фиг.9, момент закрытия впускного клапана 7 смещают на опережение, как показано сплошной линией на фиг.5. Кроме того, в это время количество всасываемого воздуха является большим. При этом степень открытия дроссельной заслонки 17 поддерживается полностью открытой, поэтому насосные потери становятся нулевыми.

С другой стороны, как показано на фиг.9 сплошной линией, если нагрузка на двигатель становится ниже, то вместе с этим задерживается момент закрытия впускного клапана 7, чтобы уменьшить количество всасываемого воздуха. Кроме того, в это время, как показано на фиг.9, механическая степень сжатия увеличивается по мере уменьшения нагрузки на двигатель так, что фактическая степень сжатия поддерживается по существу постоянной. Следовательно, по мере уменьшения нагрузки на двигатель также повышается степень расширения. Необходимо отметить, что также при этом дроссельная заслонка 17 поддерживается в полностью открытом состоянии. Поэтому количество всасываемого воздуха, которое подается в камеру сгорания 5, регулируется путем изменения момента закрытия впускного клапана 7 независимо от дроссельной заслонки 17.

Таким образом, когда из состояния высокой нагрузки на двигатель нагрузка на двигатель снижается, механическую степень сжатия увеличивают вместе с уменьшением количества всасываемого воздуха при по существу постоянной фактической степени сжатия. То есть, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки при сжатии, объем камеры сгорания 5 уменьшают пропорционально уменьшению количества всасываемого воздуха. Поэтому, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки при сжатии, объем камеры сгорания 5 изменяется пропорционально количеству всасываемого воздуха. Необходимо отметить, что при этом в примере, показанном на фиг.9, соотношение воздуха и топлива в камере сгорания становится стехиометрическим соотношением воздуха и топлива, поэтому, когда поршень 4 достигает верхней мертвой точки при сжатии, объем камеры сгорания 5 изменяется пропорционально количеству топлива.

Если нагрузка на двигатель становится еще ниже, механическую степень сжатия также дополнительно увеличивают. Если нагрузка на двигатель падает до промежуточной нагрузки L₁ приблизительно около низкой нагрузки, механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия в соответствии с предельным значением для конструкции камеры сгорания 5. Если механическая степень сжатия достигает предельной механической степени сжатия, то в зоне нагрузки ниже нагрузки L₁ на двигатель, когда механическая степень сжатия достигает своего предельного значения, механическую степень сжатия поддерживают при ее предельном значении. Следовательно, во время работы двигателя с промежуточной нагрузкой со стороны низкой нагрузки и работы двигателя с низкой нагрузкой, т.е. на стороне низкой нагрузки на двигатель, механическая степень сжатия становится максимальной, и степень расширения также становится максимальной. Другими словами, со стороны работы двигателя с низкой нагрузкой механическую степень сжатия делают максимальной для того, чтобы получить максимальную степень расширения.

С другой стороны, в показанном на фиг.9 примере осуществления, если нагрузка на двигатель падает до L₁, то момент закрытия впускного клапана 7 становится предельным моментом закрытия, обеспечивающим регулирование количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания 5. Если момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, то в зоне нагрузки ниже нагрузки L₁ на двигатель, когда момент закрытия впускного клапана 7 достигает предельного момента закрытия, момент закрытия впускного клапана 7 поддерживают на его предельном значении.

Если момент закрытия впускного клапана 7 поддерживают на его предельном значении, количество всасыв