專利名稱：火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知一種柴油發(fā)動機，其在每個燃燒室的頂面處除進氣 門和排氣門之外還設置有控制閥，并且設置有用于在壓縮沖程開始時打
公報(A) No. 4-86338 )。在此柴油發(fā)動機中，即^^縮沖程開始，當控 制閥打開時，燃燒室中的進氣也通過控制閥排出，因此不執(zhí)行壓縮操作。 當控制閥閉合時，壓縮操作開始。因此，在此柴油發(fā)動機中，控制所述 控制閥的閉合正時以控制壓縮比。
應當注意，在此柴油發(fā)動機中，通過控制所述控制閥的閉合正時， 大氣壓力越低則使壓縮比越高，且大氣溫度越低則使壓縮比越高。
另一方面，在火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機中，發(fā)動機的輸出扭矩由進氣 量決定。在此情形下，通過控制進氣門的閉合正時，可以控制在控制燃 燒室中的進氣量。即，即4^縮沖程已經(jīng)開始，當進氣門打開時，燃燒 室中的進氣也通過進氣門排到進氣口中，因此實際饋送到燃燒室中的進 氣量變成在進氣門閉合時密封于燃燒室中的進氣量。因此，能夠通過控 制進氣門的閉合正時來控制燃燒室的進氣量。
在這方面，在內(nèi)燃發(fā)動機中，優(yōu)選為即使在大氣壓力改變時也產(chǎn)生 根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)所需的輸出扭矩。為此原因，即使大氣壓力改變， 饋送到燃燒室中的進氣的質(zhì)量也必須維持相同。因此，例如，如果大氣 壓力降低，則進氣的密度將變低，因此必須增加饋送到燃燒室中的進氣 體積。因此，當試圖在進氣下止點之后閉合進氣門時，此時必需提前進 氣門的閉合正時。
在這方面，如果提前進氣門的閉合正時，則壓縮比將變高，因此如 果例如假設大氣溫度相同，則壓縮終點溫度將最終變得極高。另一方面， 在這種情形下，為了降低壓縮終點溫度，可以滯后進氣門的閉合正時， 但是如果滯后進氣門的閉合正時，則此時進氣量將降低并且結(jié)果輸出扭 矩將最終低于所需扭矩。
在上述的公知柴油發(fā)動機中，通過控制控制閥的閉合正時，根據(jù)大 氣壓力和大氣溫度將壓縮比控制為目標壓縮比。即，壓縮終點壓力和壓 縮終點溫度控制到適于壓縮點火燃燒的壓縮終點壓力和壓縮終點溫度。 但是，當控制進氣門的閉合正時以控制饋送到燃燒室的進氣量時，即使 壓縮終點溫度變得極高，也不能滯后進氣門的閉合正時來獲得與所需扭 矩一致的輸出扭矩。為了控制壓縮終點溫度，仍然需要不同于上述柴油 發(fā)動機的其它控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其能夠?qū)嚎s終 點溫度控制為最優(yōu)溫度。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，所述火花點火式內(nèi) 燃發(fā)動機設置有能夠控制進氣門的閉合正時的可變正時機構(gòu)和能夠改
變;Wfe壓縮比的可變壓縮比機構(gòu)，并且所述火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機控制 所述進氣門的閉合正時以控制饋送到燃燒室中的進氣量，其中，在大氣 壓力降低時使得所述進氣門的閉合正時靠近進氣下止點，并在大氣壓力 降低或大氣溫度升高時降低所i^L械壓縮比，使得即使在大氣壓力改變 時也能獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩。


圖1是火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機的概圖。 圖2是可變壓縮比機構(gòu)的分解立體圖。 圖3是所示內(nèi)燃發(fā)動機的側(cè)視剖視圖。 圖4是可變氣門正時^的視圖。
圖5是示出進氣門和排氣門的升程量的視圖。
圖6是用于說明發(fā)動機壓縮比、實際壓縮比和膨脹比的視圖.
圖7是示出理論熱效率和膨脹比之間關(guān)系的視圖。
圖8是用于說明普通循環(huán)和超高膨脹比循環(huán)的視圖。
圖9是示出^壓縮比等根據(jù)所需扭矩而改變的視圖。
圖IO是示出PV圖的視圖。
圖ll是示出PV圖的視圖。
圖12是示出能夠執(zhí)行正常燃燒的許可極限值的視圖. 圖13是示出;^壓縮比和進氣門的閉合正時的視圖. 圖14是示出;Wfe壓縮比和進氣門的閉合正時的視圖. 圖15是示出進氣門的基準閉合正時IC等的映射的視圖。 圖16是示出用于進氣門的閉合正時的校正量A0的視圖。 圖17是示出用于機械壓縮比的校正量ACR的視圖。 圖18是用于操作控制的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機的側(cè)視剖視圖。
參照圖1， l表示曲軸箱，2表示氣釭體，3表示氣缸蓋，4表示活 塞，5表示燃燒室，6表示設置在燃燒室5的頂部中心的火花塞，7表示 進氣門，8表示進氣口， 9表示排氣門，以及10表示排氣口。進氣口 8 通過進氣支管11連接到穩(wěn)壓罐12，同時每個進氣支管11均設置有用于 向相應的進氣口 8噴射燃料的燃料噴射器13。應當注意，除附連到每個 進氣支管11外，每個燃料噴射器13還可以設置在每個燃燒室5處。
穩(wěn)壓罐12通過進氣管14連接到空氣濾清器15，進氣管14內(nèi)設置 有由致動器16驅(qū)動的節(jié)氣門17、使用例如熱線的進氣量檢測器18、用 于檢測大氣壓力的大氣壓力傳感器19以及用于檢測大氣溫度的大氣溫 度傳感器20。另一方面，排氣口 10通過排氣歧管21連接到容納例如三 元催化劑的催化轉(zhuǎn)化器22，排氣歧管21內(nèi)設置有空燃比傳感器23。
另一方面，在圖l所示的實施方式中，曲軸箱1和氣釭體2的連接 部設置有可變壓縮比機構(gòu)A，可變壓縮比機構(gòu)A能夠改變曲軸箱1和氣 缸體2沿氣釭軸向的相對位置，從而改變當活塞4位于壓縮上止點時燃 燒室5的體積，并且還設置有實際壓縮操作開始正時改變機構(gòu)B，實際 壓縮操作開始正時改變機構(gòu)B能夠改變實際壓縮操作的開始正時。應當 注意，在圖l所示的實施方式中，此實際壓縮^Mt開始正時改變機構(gòu)B 由能夠控制進氣門7的閉合正時的可變氣門正時機構(gòu)組成。
電子控制單元30由數(shù)字計算機組成，其設置有通過雙向總線31彼 此連接的部件，這些部件例如為ROM (只讀存儲器)32、 RAM (隨機 存M儲器)33、 CPU (微處理器)34、輸入端口 35以及輸出端口 36。 進氣量檢測器18、大氣壓力傳感器19、大氣溫度傳感器20和空燃比傳 感器23的輸出信號通it^目應的AD轉(zhuǎn)換器37輸入到輸入端口 35。另外， 加速器踏板40連接到負載傳感器41，負栽傳感器41產(chǎn)生與加速器J^板 40的下壓量L成比例的輸出電壓。負栽傳感器41的輸出電壓通iit目應 的AD轉(zhuǎn)換器37輸入到輸入端口 35。另夕卜，輸入端口 35連接到曲軸轉(zhuǎn) 角傳感器42，每次曲軸旋轉(zhuǎn)例如30。，曲軸轉(zhuǎn)角傳感器42就產(chǎn)生一個 輸出脈沖。另一方面，輸出端口 36通過驅(qū)動電路38連接到火花塞6、 燃料噴射器13、節(jié)氣門驅(qū)動致動器16、可變壓縮比機構(gòu)A以及可變氣 門正時機構(gòu)B。
圖2是圖1所示可變壓縮比M A的分解立體圖，而圖3是所示內(nèi) 燃發(fā)動機的側(cè)視剖視圖。參照圖2，在氣缸體2的兩個側(cè)壁的底部處， 形成有彼此隔開特定距離的多個突出部50。每個突出部50均形成有圓 形截面的凸輪插孔51。另一方面，曲軸箱1的頂面成有彼此隔開特定距 離并且配合在相應突出部50之間的多個突出部52。這些突出部52也形 成有圓形截面的凸輪插孔53。
如圖2中所示，設置有一對凸輪軸54、 55。每個凸輪軸54、 55均 具有每隔一個位置固定在其上、能夠以可旋轉(zhuǎn)方式插入凸輪插孔51中 的圓形凸輪56。這些圓形凸輪56與凸輪軸54、 55的旋轉(zhuǎn)軸線同軸。另 一方面，如圖3中的陰影線所示，在圓形凸輪56之間延伸有相對于凸 輪軸54、 55的旋轉(zhuǎn)軸線偏心設置的偏心軸57。每個偏心軸57將其它圓 形凸輪58以可旋轉(zhuǎn)的方式偏心地附連到其上。如圖2中所示，這些圓 形凸輪58設置在圓形凸輪56之間。這些圓形凸輪58以可旋轉(zhuǎn)方式插
在相應的凸輪插孔53中。
當緊固到凸輪軸54、 55的圓形凸輪56沿如圖3 (A)中實線箭頭 所示的相反方向從圖3(A)所示狀態(tài)旋轉(zhuǎn)時，偏心軸57朝底部中心移 動，因此圓形凸輪58沿如圖3 (A)中虛線箭頭所示的與圓形凸輪56 相反的方向在凸輪插孔53中旋轉(zhuǎn)。如圖3 (B)中所示，當偏心軸57 朝底部中心移動時，圓形凸輪58的中心移動到偏心軸57下方。
才艮據(jù)圖3 (A)和圖3 (B)的對比可以理解，曲軸箱1和氣釭體2 的相對位置由圓形凸輪56的中心和圓形凸輪58的中心之間的距離確 定。圓形凸輪56的中心和圓形凸輪58的中心之間的距離越大，氣釭體 2離曲軸箱1越遠。如果氣釭體2遠離曲軸箱1，則燃燒室5在活塞4 位于壓縮上止點時的體積增加，因此，通過使凸輪軸54、 55旋轉(zhuǎn)，能 夠改變?nèi)紵?在活塞4位于壓縮上止點時的體積。
如圖2中所示，為了使凸輪軸54、 55沿相反的方向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動馬 達59的軸i殳置有一對具有螺線方向相反的蝸輪61、 62。與這些蝸輪61、 62嚙合的齒輪63、 64緊固到凸輪軸54、 55的端部。在此實施方式中， 可以驅(qū)動所述驅(qū)動馬達59以大范圍地改變在活塞4位于壓縮上止點時 燃燒室5的體積。應當注意，圖l至圖3所示的可變壓縮比機構(gòu)A^l:— 個示例?？梢允褂萌我忸愋偷目勺儔嚎s比機構(gòu)。
另一方面，圖4示出附連到用于驅(qū)動圖1中的進氣門7的凸輪軸70 的端部的可變氣門正時機構(gòu)B。參照圖4，此可變氣門正時機構(gòu)B設置 有由發(fā)動機曲軸通過正時皮帶沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)的正時帶輪71、與正時帶 輪71 —起旋轉(zhuǎn)的筒形殼體72、能夠與進氣門驅(qū)動凸輪軸70 —起旋轉(zhuǎn)并 Jbf目對于筒形殼體72旋轉(zhuǎn)的軸73、多個從筒形殼體72的內(nèi)周延伸到軸 73的外周的隔離部74以及在隔離部74之間從軸73的外周延伸到筒形 殼體72的內(nèi)周的葉片75，葉片75的兩側(cè)形成有用于提前的液壓室76 以及用于滯后的液壓室77。
給液壓室76、 77饋送工作油受工作油饋送控制閥78的控制。此工 作油饋送控制閥78設置有連接到液壓室76、 77的液壓端口79、 80; 用于從M泵81排放的工作油的饋送端口 82; —對排出端口83、 84; 以及用于控制端口79、 80、 82、 83、 84的連接和斷開的滑閥85。
為了提前進氣門驅(qū)動凸輪軸70的凸輪的相位，在圖4中，使滑閥
85向右移動，從饋送端口 82饋送的工作油通過液壓端口 79饋送到用于 提前的液壓室76，并且用于滯后的液壓室77中的工作油從排出端口 84 排出。此時，使得軸73相對于筒形殼體72沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)。
與此相反，為了滯后進氣門驅(qū)動凸輪軸70的凸輪的相位，在圖4 中，使滑閥85向左移動，從饋送端口 82饋送的工作油通過液壓端口 80 饋送到用于滯后的液壓室77，并且用于提前的液壓室76中的工作油從 排出端口83排出。此時，使得軸73相對于筒形殼體72沿與箭頭相反 的方向旋轉(zhuǎn)。
當使得軸73相對于筒形殼體72旋轉(zhuǎn)時，如果滑閥85返回到如圖4 所示的中間位置，則用于使軸73相對旋轉(zhuǎn)的操作結(jié)束，并且軸73保持 在該時的相對旋轉(zhuǎn)位置處。因此，可以利用可變氣門正時機構(gòu)B來使進 氣門驅(qū)動凸輪軸70的凸輪相位精確地提前或滯后期望的量。
在圖5中，實線示出使用可變氣門正時^B最大地提前進氣門驅(qū) 動凸輪軸70的凸4^相位，而虛線示出使用所^MM^最大地滯后進氣門 驅(qū)動凸輪軸70的凸2^相位。因此，能夠在由圖5中實線所示范圍和虛 線所示范圍之間自由地設定進氣門7的打開正時，因此進氣門7的閉合 正時能夠設定為由圖5中箭頭C所示范圍中的任意曲軸轉(zhuǎn)角。
如圖l和圖4中所示的可變氣門正時機構(gòu)B是一個示例。例如，也 可以使用僅能夠改變進氣門的閉合正時、而進氣門的打開正時維持不變 的可變氣門正時機構(gòu)或其它各種可變氣門正時機構(gòu)。
接下來將參照圖6說明本申請中所使用的術(shù)語的意思。應當注意， 圖6(A)、 (B)和(C)為說明的目的示出具有50 ml的燃燒室體積和 500 ml的活塞行程體積的發(fā)動機。在這些圖6(A)、(B)和(C)中， 燃燒室體積示出為當活塞位于壓縮上止點時的燃燒室體積。
圖6 (A)說明機械壓縮比。機械壓縮比是根據(jù)壓縮沖程時活塞的 行程體積和燃燒室體積來M地確定的值。此^壓縮比通過(燃燒室 體積+行程體積)/燃燒室體積來表示。在圖6(A)中所示的示例中， jJtW^壓縮比為(50 ml+500 ml) /50 ml=ll。
圖6(B)說明實際壓縮比。此實際壓縮比是根據(jù)從壓縮操作實際開 始到活塞達到上止點時的實際活塞行程體積和燃燒室體積來確定的值。 此實際壓縮比通過(燃燒室體積+實際行程體積)/燃燒室體積來表示。
即，如圖6(B)中所示，即使在壓縮沖程中活塞開始升高，當進氣門 打開時，也不執(zhí)行壓縮操作。在進氣門閉合后開始實際壓縮操作。因此， 實際壓縮比通過實際##呈體積表示如下。在圖6 (B)中所示的示例中， 實際壓縮比為(50ml+450ml) 50 ml=10。
圖6 (C)說明膨脹比。膨脹比是根據(jù)膨脹沖程時活塞的行程體積 和燃燒室體積來確定的值。此膨脹比通過(燃燒室體積+行程體積)/燃 燒室體積來表示。在圖6 (C )中所示的示例中，此膨脹比為(50 ml+500 ml) /50ml=ll。
接下來將參照圖7和圖8說明本發(fā)明中使用的超高膨脹比循環(huán)。應 當注意，圖7中示出理論熱效率和膨脹比之間的關(guān)系，而圖8示出普通 循環(huán)和根據(jù)負載選擇性地使用的超高膨脹比循環(huán)之間的對比。
圖8 (A)示出當進氣門在下止點附近閉合以及活塞的壓縮操作基 本上從壓縮下止點附近開始時的普通循環(huán)。與圖6(A)、 (B)和(C) 中所示的示例相同，在此圖8 (A)所示的示例中，燃燒室體積為50ml 且活塞的行程體積為500 ml。從圖8(A)中可以了解，在普通循環(huán)中， 機械壓縮比是(50 ml+500 ml) /50 ml=ll，實際壓縮比也是約為11，且 膨脹比也是(50 ml+500 ml) /50 ml=ll。即，在普通的內(nèi)燃發(fā)動機中， 機械壓縮比和實際壓縮比以及膨脹比基;M目等。
圖7中的實線示出在實際壓縮比和膨脹比基^M目等的情形下一一即 在普通循環(huán)中一一理論熱效率的改變。在這種情形下，可以得知，膨脹 比越大一一即實際壓縮比越高，則理論熱效率越高。因此，在普通循環(huán) 中，為了增加理論熱效率，應當4吏實際壓縮比更高。然而，由于在發(fā)動 機高負栽操作時發(fā)生爆震的限制，實際壓縮比最大僅能夠升高到約12， 因此，在普通循環(huán)中，不能使理論熱效率足夠高。
另一方面，在這種條件下，發(fā)明人嚴格地區(qū)分了;Wfe壓縮比和實際 壓縮比并且研究了理論熱效率，并且最終發(fā)現(xiàn)，在理論熱效率中，膨脹 比是主導的，而實際壓縮比并不會很大地影響理論熱效率。即，如果使 實際壓縮比升高，則爆發(fā)力升高，但是壓縮需要很大的能量，因此即使 升高實際壓縮比，理論熱效率也不會升高很多。
與此相反，如果增加膨脹比，則在膨脹沖程時力作用而下壓活塞的 時間越長，活塞給曲軸施加旋轉(zhuǎn)力的時間越長。因此，膨脹比越大，理
論熱效率變得越高。圖7中的虛線示出在將實際壓縮比固定為10并在 該狀態(tài)中升高膨脹比的情形下的理論熱效率。由此，可以了解，當在實 際壓縮比維持在較低值的狀態(tài)下升高膨脹比時理論熱效率的增加量與
在實際壓縮比如圖7中實線所示與膨脹比一起增加的情形下理論熱效率 的增加量沒有4艮大的差別。
如果實際壓縮比以這種方式維持在較低值，則不會發(fā)生爆震，因此 如果在實際壓縮比維持在較低值的狀態(tài)下使膨脹比升高，則能夠防止爆 震的發(fā)生，并且能夠很大地提高理論熱效率。圖8(B)示出使用可變 壓縮比機構(gòu)A和可變氣門正時機構(gòu)B來維持實際壓縮比為較小值并使 膨脹比升高的情形的示例。
參照圖8(B)，在此示例中，可變壓縮比機構(gòu)A用以將燃燒室體積 從50 ml降低到20 ml。另一方面，可變氣門正時機構(gòu)B用以滯后進氣 門的閉合正時，直到活塞的實際行程體積從500 ml改變到200 ml。因 此，在此示例中，實際壓縮比變成(20 ml+200 ml) /20 ml=ll并且膨脹 比變成(20 ml+500 ml) /20 ml=26。在圖8(A)所示的普通循環(huán)中， 如所說明的，實際壓縮比約為11并且膨脹比為11。與此情形相比，在 圖8 (B)所示的情形下，可以了解，僅僅是膨脹比升高到26。這就是 稱其為"超高膨脹比循環(huán)，，的原因。
如上所述，大致來講，在內(nèi)燃發(fā)動機中，發(fā)動機負載越低，熱效率 越差，因此，為了改善車輛運轉(zhuǎn)時的熱效率、即為了改善燃料消耗，就 必需改善發(fā)動機低負載運轉(zhuǎn)時的熱效率。另一方面，在圖8 (B)所示 的超高膨脹比循環(huán)中，使壓縮沖程時活塞的實際行程體積更小，因此能 夠被吸入到燃燒室5中的進氣的量變得更小，因此，此超高膨脹比循環(huán) 僅能夠在發(fā)動機負載相對較低時采用。因此，在本發(fā)明中，在發(fā)動機低 負載運轉(zhuǎn)時設定如圖8(B)所示的超高膨脹比循環(huán)，而在發(fā)動機高負 栽運轉(zhuǎn)時設定如圖8(A)所示的普通循環(huán)。
接下來將參照圖9在總體上概略地說明操作控制。
圖9示出機械壓縮比、膨脹比、進氣門7的閉合正時、實際壓縮比、 進氣量、節(jié)氣門17的開度以及泵氣損失隨所需扭矩的改變。應當注意， 圖9示出大氣壓力為標準大氣壓力——例如980 mbar——并且大氣溫 度為標準大氣溫度一一例如0。C——的情形。另外，在根據(jù)本發(fā)明的實
施方式中，燃燒室5中的平均空燃比一般基于空燃比傳感器23的輸出 信號反饋控制為化學計量空燃比，使得催化轉(zhuǎn)化器22中的三元催化劑 能夠同時地還原排氣中的未燃燒HC、 CO以及NOx。
現(xiàn)在，如上所述，在發(fā)動機高負載操作時一一即當所需扭矩高時， 執(zhí)行圖8(A)中所示的普通循環(huán)。因此，如圖9中所示，此時，由于 ;Wfe壓縮比低，所以膨脹比低，并且如圖9中下側(cè)的實線所示，進氣門 7的閉合正時如圖5中實線所示提前。另外，此時進氣量大。此時，節(jié) 氣門17的開度維持完全打開或者基本上完全打開，因此泵氣損失為零。
另一方面，如圖9中所示，隨著發(fā)動機負栽的降低，機械壓縮比增 加，因此膨脹比也增加。另外，此時，如圖9中的實線所示，由于所需 的扭矩為低所以進氣門7的閉合正時滯后，使得實際壓縮比保持基本不 變。此時還應注意，節(jié)氣門17保持在完全打開或基本完全打開的狀態(tài)。 因此，饋送到燃燒室5的進氣量不受節(jié)氣門17的控制，而是受到進氣 門7的閉合正時的改變的控制。此時，泵氣損失也為零。
由此，當所需扭矩M動機高負栽運轉(zhuǎn)狀態(tài)變低時，在基本不變的 實際壓縮比下，；Wfe壓縮比隨著進氣量的降低而增加。即，燃燒室5在 活塞4達到壓縮上止點時的體積與進氣量的降低成比例地降低。因此， 燃燒室5在活塞4達到壓縮上止點時的體積與進氣量成比例地改變。應 當注意，此時，燃燒室5中的空燃比為化學計量空燃比，因此，燃燒室 5在活塞4達到壓縮上止點時的體積與燃料量成比例地改變。
如果所需的扭矩進一步降低，則M壓縮比進一步增加。當機械壓 縮比達到形成燃燒室5的結(jié)構(gòu)極限的極PIUlL械壓縮比時，在負載低于機 械壓縮比達到極FH^L械壓縮比時的發(fā)動機負載"的區(qū)域中，W^壓縮 比保持為極限發(fā)動機壓縮比。因此，當所需扭矩低時——即在發(fā)動機低 負載運轉(zhuǎn)時，機械壓縮比變得最大，并且膨脹比也變得最大。換個方式 來說，為了在發(fā)動機低負載運轉(zhuǎn)時獲得最大膨脹比，使^壓縮比最大。 另外，此時，實際壓縮比維持為與發(fā)動機中負載運轉(zhuǎn)和高負載運轉(zhuǎn)時大 致相同的實際壓縮比。
另一方面，如圖9中的實線所示，進氣門7的閉合正時滯后到極限 閉合正時，使得能夠在所需的扭矩變低時控制饋送到燃燒室5的進氣量。 在所需扭矩低于進氣門7的閉合正時達到極限閉合正時時的所需扭矩
L2的區(qū)域中，進氣門7的閉合正時保持在極限閉合正時處。如果進氣門 7的閉合正時保持在極限閉合正時處，則不再能夠通過改變進氣門7的 閉合正時來控制進氣量。因此，必須通過某些其它方法來控制進氣量。
在圖9中所示的實施方式中，此時，即在所需扭矩低于進氣門7的 閉合正時ii^極限閉合正時時的所需扭矩L2的區(qū)域中，使用節(jié)氣門17 來控制饋送到燃燒室5的進氣量。但是，如果使用節(jié)氣門17控制進氣 量，則如圖9中所示泵氣損失增加。
應當注意，為了防止此泵氣損失，在所需扭矩低于進氣門7的閉合 正時達到極限閉合正時時的所需扭矩L2的區(qū)域中，節(jié)氣門17保持為完 全打開或者基本完全打開。在該狀態(tài)下，發(fā)動機負載越低，則空燃比越 大。此時，優(yōu)選地設置燃料噴射器13以在燃燒室5中執(zhí)行分層燃燒。
另一方面，如上所述，在圖8(B)中所示的超高膨脹比循環(huán)中，使 膨脹比為26。此膨脹比越高越好，但是如果為20或更高,則能夠獲得 相當高的理論熱效率。因此，在本發(fā)明中，形成可變壓縮比機構(gòu)A，使 得膨脹比為20或更高。另外，在圖9中所示的示例中，機械壓縮比根 據(jù)所需扭矩連續(xù)地改變。然而，；^壓縮比也能夠根據(jù)所需扭矩分階段 地改變。
另一方面，如圖9中的虛線所示，隨著所需扭矩變低，同樣可以通 過提前進氣門7的閉合正時來控制進氣量而不依賴于節(jié)氣門17。因此， 在圖9中，如果綜合地表示由實線所示的情形和由虛線所示的情形，在 根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，當所需扭矩變低時，進氣門7的閉合正時沿 著遠離壓縮下止點BDC的方向移動， 一直到極限閉合正時L2，使得能 夠控制饋送到燃燒室的進氣量。
現(xiàn)在，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來預先 確定發(fā)動機輸出扭矩所需的值一一即所需扭矩，發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)由加 速器踏板40的下壓量、發(fā)動M度等確定。控制發(fā)動機，從而根據(jù)發(fā) 動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)產(chǎn)生所需的輸出扭矩，即使大氣壓力改變偏離基準大氣 壓力。
在這個方面，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，如上所述，通過饋送到 燃燒室5中的進氣質(zhì)量來確定輸出扭矩。因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施方 式中，控制發(fā)動機，使得即使大氣壓力改變偏離基準大氣壓力，饋送到
燃燒室5中的進氣質(zhì)量也與基準大氣壓力時的進氣質(zhì)量相同。因此，例 如，當大氣壓力降低時，進氣的密度變低，因此饋送到燃燒室5中的進 氣的體積必需增加。因此，如圖9中的實線所示，當在進氣下止點之后 閉合進氣門7時，進氣門7的閉合正時提前。
但是，如果以此方式提前進氣門7的閉合正時，則壓縮比將變高， 因此假設例如大氣溫度相同，則壓縮終點溫度將最終變得極高。因此， 在本發(fā)明中，此時^壓縮比降低，使得壓縮終點溫度不會變得過高。 接下來，這將參照圖10至圖12進行說明。
圖10 (A)示出當大氣壓力為基準大氣壓力并且大氣溫度為基準大 氣溫度時燃燒室5的體積V和燃燒室5中的壓力P之間的關(guān)系。應當 注意，在圖IO(A)中，縱坐標的壓力P和橫坐標的體積V表示為對數(shù)。 圖10 (B)和圖11 (A)、 (B)也是如此。
在圖10(A)中，點a示出排氣下止點和進氣下止點，而點b示出 進氣門7在進氣下止點之后閉合的情形下進氣門7的閉合正時。在從排 氣下止點a到進氣下止點a的間隔中以;M^從進氣下止點a到進氣門7 的閉合正時b的間隔中，燃燒室5中的壓力P為基準大氣壓力Po。接 下來，當進行壓縮沖程時，燃燒室5中的壓力P升高。當活塞4達到上 止點c時，燃燒室5中的壓力P變成壓縮終點壓力Pe。接下來，當執(zhí) 行燃燒時，燃燒室5中的壓力P升高到點d。接下來，當活塞4下降時， 一直到排氣^Mt開始，燃燒室5中的壓力P逐漸降低。
現(xiàn)在，例如，如果車輛用于高海拔處，則大氣壓力P從基準大氣壓 力Po降低到大氣壓力Pa，剛好降低AP。如果此時進氣門7在與圖10 (A)相同的正時處閉合，則燃燒室5的體積V和燃燒室5中的壓力P 如圖10 (B)中所示地改變。才艮據(jù)圖10 (B)可以了解，此時，壓縮終 點壓力從圖10 (A)中所示的Pe降到Pf。這意味著饋送到燃燒室5中 的進氣的質(zhì)量變小。
在此情形下，為了使饋送到燃燒室5中的進氣的質(zhì)量與圖10 (A) 中所示的情形相同，則必須4吏壓縮終點壓力為Pe。因此，如圖11(A) 中所示，進氣門7的閉合正時必須提前剛好Ae，從而使得當進氣門7 打開時燃燒室5的體積V從Vs改變到Vt。在這方面上，如果提前進氣 門7的閉合正時，則壓縮開始正時將提前，因此實際壓縮比將增加。因
此，此時，如果大氣溫度是基準大氣溫度，則壓縮終點溫度將最終變得 極高。
因此，在本發(fā)明中，為了防止壓縮終點溫度變得極高，如圖11 (B) 中所示，機械壓縮比降低剛好ACR，使得在壓縮上止點處燃燒室5的 體積V從Ve降到Vg。如果機械壓縮比降低，則實際壓縮比也降低，因 此壓縮終點溫度降低。另一方面，如果機械壓縮比降低，如圖11 (B) 中所示，則與圖10 (A)中所示的Pe相比壓縮終點壓力將flWt降低， 但是饋送到燃燒室5中的進氣的質(zhì)量與圖10 (A)中所示的情形相同， 因此輸出扭矩基本上與所圖10 (A)所示情形中的輸出扭矩相同。
接下來將從另 一個角度說明上述內(nèi)容。
圖12示出燃燒室5中的壓縮終點壓力和壓縮終點溫度以及能夠執(zhí) 行正常燃燒的許可極限值KO之間的關(guān)系。圖12中陰影線所示的區(qū)域 示出發(fā)生爆震和其它異常燃燒的區(qū)域。其它的區(qū)域示出執(zhí)行正常燃燒的 區(qū)域。許可極P艮值KO位于正常燃燒區(qū)域內(nèi)、極其靠近執(zhí)行異常燃燒的 區(qū)域。在此許可極限值KO處獲得最高的熱效率。因此，在根據(jù)本發(fā)明 的實施方式中，進氣門7的閉合正時和機械壓縮比如此地確定使得壓 縮終點壓力和壓縮終點溫度為此許可極限值。
即，如圖10(A)中所示，當大氣壓力為基準大氣壓力并且大氣溫 度為基準大氣溫度時的壓縮終點壓力Pe和壓縮終點溫度由圖12中的點 a示出。如果大氣溫度相同且如圖10 (B)中所示大氣壓力降4氐，則此 時的壓縮終點壓力Pf和壓縮終點溫度將變成圖12中的點b。另一方面， 當大氣壓力降低時，如圖11 (A)中所示，如果進氣門7的閉合正時提 前剛好A9并且使壓縮終點壓力為Pe，則此時壓縮終點壓力Pe和壓縮 終點溫度將變成圖12的點c。即，壓縮終點溫度和壓縮終點壓力將最終 超過能夠執(zhí)行正常燃燒的許可極限值KO。
因此，在本發(fā)明中，當進氣門7的閉合正時接近進氣下止點并且壓 縮終點溫度和壓縮終點壓力超過能夠執(zhí)行正常燃燒的許可極限值KO 時，機械壓縮比降低到這樣的機喊壓縮比壓縮終點溫度和壓縮終點壓
力為許可極限值KO。此時壓縮終點壓力和壓縮終點溫度由圖12中的點 d示出。即，從圖12中了解，如果機械壓縮比降低，則壓縮終點壓力將 僅僅8g^降低，但是壓縮終點溫度將極大地降低。
接下來將參照圖13到圖18詳細地解釋依據(jù)本發(fā)明的實施方式。圖 13中的實線示出圖9中所示的 壓縮比和所需扭矩之間的關(guān)系以及 由圖9中的實線示出的進氣門7的閉合正時和所需扭矩之間的關(guān)系，即 在大氣壓力為基準大氣壓力且大氣溫度為基準大氣溫度時基準機械壓 縮比和所需扭矩之間的關(guān)系以及進氣門7的基準閉合正時和所需扭矩之 間的關(guān)系。
在這個方面，能夠產(chǎn)生所需扭矩的進氣量饋送至燃燒室5內(nèi)部所需 的進氣門7的基準閉合正時IC為所需扭矩和發(fā)動fel度的函數(shù)。因此， 在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，進氣門7的基準閉合正時IC在ROM 32 中預先存儲為如圖15 (A)所示的映射形式的、所需扭矩TQ和發(fā)動機 速度N的函數(shù)。根據(jù)此映射，計算由圖13中的實線示出的進氣門7的 基準閉合正時。
另一方面，如前所述，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，在發(fā)動機^it 度運轉(zhuǎn)時，不論所需扭矩如何，實際壓縮比都保持基本不變。但是，如 果發(fā)動M度升高，則燃燒室5中的空燃混合物產(chǎn)生渦流，因此不易發(fā) 生爆震。因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，如圖15 (B)中所示，發(fā) 動fel度N越高，則目標實際壓縮比越高。另一方面，使實際壓縮比成 為此目標實際壓縮比所需的機械壓縮比為所需扭矩和發(fā)動機速度的函 數(shù)。因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，使實際壓縮比變成目標實際壓 縮比所需的基準;Wfe壓縮比CR在ROM 32中預先存儲為圖15 (C )所 示的映射形式的、所需扭矩TQ和發(fā)動M度N的函數(shù)。計算通過圖 13中的實線示出的基準;W^壓縮比。
現(xiàn)在，如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，如果大氣壓力變低， 則如圖11 (A)中所示，進氣門7的閉合正時提前剛好Ae,并且如圖 11 (B)中所示，；lO^壓縮比降低剛好ACR。即，當大氣壓力從基準大 氣壓力降低時，進氣門7的閉合正時從由圖13的實線示出的基準閉合 正時往虛線示出的閉合正時朝進氣下止點靠近剛好一個校正量Ae，并 且;tO^壓縮比從圖13中的實線所示的基準機械壓縮比往由虛線示出的 ;^壓縮比降低剛好一個校正量ACR。
圖16 (A)示出如圖13中所示進氣門7的閉合正時的校正量A0和 大氣壓力Pa之間的關(guān)系。應當注意，在圖16(A)中，Po表示基準大 氣壓力。根據(jù)圖16 (A)可以了解，隨著大氣壓力Pa從基準大氣壓力
Po降低，則校正量Ae增加，同時隨著大氣壓力從基準大氣壓力Po升
高，校正量A6變?yōu)樨撝挡⑶医档?。即，如果大氣壓力Pa從基準大氣壓 力Po降低，則使進氣門7的閉合正時接近進氣上止點，而如果大氣壓 力Pa從基準大氣壓力Po升高，則使進氣門7的閉合正時遠離進氣下止 點。
另一方面，圖17(A)示出圖13中所示的;Wfe壓縮比的校正量ACR 和大氣壓力Pa之間的關(guān)系。應當注意，在圖17(A)中，Po也表示基 準大氣壓力。從圖17 (A)可以了解，如果大氣壓力Pa低于基準大氣 壓力Po，校正量ACR變?yōu)樨撝挡⑶医档?，而如果大氣壓力Pa高于基 準大氣壓力Po,校正量ACR增加。即，如果大氣壓力Pa從基準大氣 壓力Po降低，則;^壓縮比降低，而如果大氣壓力Pa從基準大氣壓力 Po升高，則;Wfe壓縮比增加。
另一方面，如果大氣溫度變高，則壓縮終點溫度隨此變高，因此當 大氣溫度變高時，優(yōu)選地降低;Wfe壓縮比。圖17 (B)示出當考慮到此 情形時的機械壓縮比的校正量ACR和大氣溫度Ta之間的關(guān)系。應當注 意，在圖17(B)中，To示出基準大氣溫度。根據(jù)圖17(B)可以了解， 如果大氣溫度Ta高于基準大氣溫度To，校正量ACR變?yōu)樨撝挡⑶医?低，并且如果大氣溫度Ta低于基準大氣溫度To，校正量ACR增加。 即，如果大氣溫度Ta高于基準大氣溫度To，則;W^壓縮比降低，而如 果大氣溫度Ta低于基準大氣壓力To，則^壓縮比升高。
由此，根據(jù)本發(fā)明，大氣壓力Pa越低，則使進氣門7的閉合正時 越接近進氣下止點，同時，大氣壓力Pa越低、或大氣溫度Ta越高，則 機械壓縮比降低越多。應當注意，;Wfe壓縮比的校正量ACR在ROM 32 中預先存儲為如圖17 (C)所示的映射形式的、大氣壓力Pa和大氣溫 度Ta的函數(shù)。
圖14示出如圖9中虛線所示的使進氣門7的閉合正時位于進氣下 止點之前的情形。在這種情形下，如果大氣壓力下降，如圖14中所示， 則進氣門7的閉合正時滯后剛好一個校正量并且使機械壓縮比下降 剛好一個校正量ACR。如圖16(B)中所示，大氣壓力Pa越低，在這 種情形下進氣門7的閉合正時的校正量A9降低。即，大氣壓力Pa越降 低，進氣門7的閉合正時滯后。圖18示出操作控制程序。
參照圖18，首先，在步驟100，通過圖15 (A)所示的映射來計算 進氣門7的基準閉合正時IC。接下來，在步驟101，通過圖16 (A)或 圖16(B)所示的關(guān)系來計算進氣門7的閉合正時的校正量A0。接下來， 在步驟102,基準閉合正時IC加上該校正值A0，以計算最終閉合正時 ICO(=IC+Ae)，并且使進氣門7的閉合正時為此閉合正時ICO。接下 來，在步驟103，通過圖15 (C )所示的映射來計算基準機械壓縮比CR。 接下來，在步驟104，通過圖17 (C)所示的映射來計算機械壓縮比的 校正值ACR。接下來，在步驟105，將基準;tO^壓縮比CR加上校正值 ACR以計算最終^Ofe壓縮比CRO (=CR+ACR),并且使^M^壓縮比為 此;Wfe壓縮比CRO。
權(quán)利要求
1. 一種火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其設置有能夠控制進氣門的閉合正時的可變正時機構(gòu)和能夠改變機械壓縮比的可變壓縮比機構(gòu)，并且控制所述進氣門的閉合正時以控制饋送到燃燒室中的進氣量，其中，在大氣壓力降低時使得所述進氣門的閉合正時靠近進氣下止點，并在大氣壓力降低或大氣溫度升高時降低所述機械壓縮比，使得即使在大氣壓力改變時也能獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩。
2.如權(quán)利要求1所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣壓力 越低，則使得所述進氣門的閉合正時越靠近進氣下止點，并且大氣壓力 越低或大氣溫度越高，則所述機喊壓縮比降低，使得即使在大氣壓力改 變時也能獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩。
3.如權(quán)利要求1所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，預先存儲 所述進氣門的基準閉合正時，在大氣壓力為預定的基準大氣壓力時通過 所U準閉合正時獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩，并且，當大氣壓力降到低于所逸基準大氣壓力時，使得所述進氣門的閉合正時從所述基準 閉合正時精確地以預定校正量靠近進氣下止點。
4.如權(quán)利要求3所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣壓力 從所述基準大氣壓力降低得越多，則所述進氣門的閉合正時的所述校正 量增加得越多。
5.如權(quán)利要求1所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，預先存儲 所述進氣門的基準閉合正時，在大氣壓力為預定的基準大氣壓力時通過 所i^準閉合正時獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩，并且，當大氣壓力升到高于所述基準大氣壓力時，使得所述進氣門的閉合正時相對于所述 基準閉合正時精確地以預定校正量遠離進氣下止點。
6.如權(quán)利要求5所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣壓力 從所逸基準大氣壓力升高得越多，則所述進氣門的閉合正時的所述校正 量增加得越多。
7. 如權(quán)利要求1所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當大氣壓 力降到低于預定的基準大氣壓力時，所^Ofe壓縮比精確地以預定的校 正量從所述基準大氣壓力下的基準M壓縮比降低。
8. 如權(quán)利要求7所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣壓力 從所述基準大氣壓力降低得越多，則所i^Wfe壓縮比的所述校正量增加 得越多.
9.如權(quán)利要求1所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當大氣壓 力升到高于預定的基準大氣壓力時，所^Ofe壓縮比精確地以預定的校 正量從所逸基準大氣壓力下的基準壓縮比增加。
10. 如權(quán)利要求9所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣壓力 從所述基準大氣壓力升高得越多，則所a械壓縮比的所述校正量增加 得越多。
11. 如權(quán)利要求l所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當大氣溫 度從預定的基準大氣溫度升高時，所^iO^壓縮比精確地以預定的校正 量從所述基準大氣溫度下的基準機械壓縮比降低。
12. 如權(quán)利要求11所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣溫 度從所述基準大氣溫度升高得越多，則所述機械壓縮比的所述校正量增 加得越多。
13.如權(quán)利要求l所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當大氣溫 度從預定的基準大氣溫度降低時，所述,壓縮比精確地以預定的校正 量從所述基準大氣壓力下的基準;Wfe壓縮比增加。
14. 如權(quán)利要求13所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，大氣溫 度從所逸基準大氣溫度降低得越多，則所述;Wfe壓縮比的所述校正量增 加得越多。
15. 如權(quán)利要求l所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當使得所 述進氣門的閉合正時靠近進氣下止點時，所^Ofe壓縮比降低以降低壓 縮終點壓力從而降低壓縮和溫度，使得即使在大氣壓力降低時也能獲得 與所需扭矩一致的輸出扭矩。
16.如權(quán)利要求15所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當使得 所述進氣門的閉合正時靠近進氣下止點時，如果所述壓縮終點溫度和壓 縮終點壓力超過能夠執(zhí)行正常燃燒的許可極限值，則所述^壓縮比降 低到這樣的M壓縮比其中所述壓縮終點溫度和壓縮終點壓力為所述 許可極限值。
17.如權(quán)利要求l所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，當所需扭 矩變低時，使得所述進氣門的閉合正時朝遠離進氣下止點的方向移動到 能夠?qū)︷佀偷剿鋈紵抑械倪M氣量進行控制的極限閉合正時。
18. 如權(quán)利要求17所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，在所需的區(qū)域中，使用設置在發(fā)動機進氣通道中的節(jié)氣門來控制饋送到所述燃 燒室中的進氣量。
19. 如權(quán)利要求17所述的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機，其中，在所需的區(qū)域中，所需扭矩越低，則使得空燃比越大。
全文摘要
一種發(fā)動機，設置有能夠控制進氣門(7)的閉合正時的可變正時機構(gòu)(B)和能夠改變機械壓縮比的可變壓縮比機械(A)，并且控制所述進氣門(7)的閉合正時以控制饋送到燃燒室(5)中的進氣量。為了即使在大氣壓力改變時也能獲得與所需扭矩一致的輸出扭矩，當大氣壓力降低時，使得進氣門(7)的閉合正時靠近進氣下止點，并且機械壓縮比降低。
文檔編號F02D15/04GK101384809SQ20078000565
公開日2009年3月11日 申請日期2007年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者中坂幸博, 澤田大作, 神山榮一, 秋久大輔 申請人:豐田自動車株式會社