JP2001234769A - 可変動弁機構を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、可変動弁機構を備えた内燃機関に
おいて、ポンプ損失を不要に増大させることなく吸気の
充填効率を高めることができる技術を提供することによ
り、内燃機関のトルクを向上させることを目的とする。 【解決手段】 本発明に係る可変動弁機構を有する内燃
機関は、各気筒の吸気行程において所定の時期に吸気弁
の開度を一時的に絞るべく可変動弁機構を制御すること
により、吸気行程途中の気筒内に必要最小限の負圧を発
生させて、吸気の流速を高めるとともに吸気の慣性効果
が得られるようにし、以て不要なポンプ損失を増大させ
ることなく吸気の充填効率を高め、内燃機関のトルクを
向上させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車などに搭載
される内燃機関に関し、特に、吸気弁と排気弁とのうち
すくなくとも吸気弁の開閉タイミングおよびまたはリフ
ト量を変更可能な可変動弁機構を有する内燃機関に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載される内燃機関で
は、正味燃焼効率の向上、排気エミッションの向上、あ
るいは燃料消費量の低減等を目的として、吸気弁と排気
弁との少なくとも一方の開閉時期およびまたはリフト量
を任意に変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の開
発が進められている。

【０００３】可変動弁機構としては、例えば、内燃機関
の吸気弁及び排気弁を電磁力によって開閉駆動する電磁
駆動式の動弁機構が提案されており、電磁駆動式動弁機
構としては、例えば、磁性体からなり吸気排気弁に連動
して進退動作するアーマチャと、励磁電流が印加された
ときに前記アーマチャを閉弁方向へ吸引する閉弁用電磁
石と、励磁電流が印加されたときに前記アーマチャを開
弁方向へ吸引する開弁用電磁石と、前記アーマチャを閉
弁方向へ付勢する閉弁側戻しばねと、前記アーマチャを
開弁方向へ付勢する開弁側戻しばねとを備えた電磁駆動
式動弁機構が提案されている。

【０００４】このような電磁駆動式動弁機構によれば、
従来の動弁機構のように機関出力軸（クランクシャフ
ト）の回転力を利用して吸排気弁を開閉駆動させる必要
がないため、機関出力軸による吸排気弁の駆動に起因し
た機関出力の損失が防止される。

【０００５】更に、上記したような電磁駆動式動弁機構
によれば、従来の動弁機構のように機関出力軸の回転と
連動して吸排気弁を開閉駆動する必要がなく、開弁用電
磁石と閉弁用電磁石に対する励磁電流の印加タイミング
を変更することによって吸排気弁を任意の時期に開閉さ
せることが可能となるため、吸気絞り弁（スロットル
弁）を用いることなく各気筒の吸入空気量を制御する、
いわゆるノンスロットル運転制御を実現することが可能
となる。この結果、スロットル弁に起因した吸気のポン
ピングロスが抑制される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常の内燃
機関では、吸気弁の開閉タイミングは、基本的に各気筒
の吸気行程上死点で吸気弁を開弁させるとともに吸気行
程下死点で吸気弁を閉弁させるよう設定されるが、内燃
機関の運転状態が低回転運転領域にあるときは、吸気の
流速が低く、吸気の慣性効果を十分に得ることができな
いため、各気筒における吸気の充填効率を高めることが
困難であった。

【０００７】これに対し、可変動弁機構を利用して吸気
弁の開弁時期を吸気行程上死点より遅角させることによ
り、吸気行程上死点から吸気弁が開弁されるまでの期間
において気筒内の負圧度合いを高め、吸気弁開弁時にお
ける吸気の流速を高めることが考えられる。

【０００８】但し、内燃機関の吸気系では、吸気弁開弁
時に吸気弁近傍において発生した負圧波が吸気通路の大
気開放端へ伝播し、次いで大気開放端において逆位相の
正圧波として反射されて気筒内に戻ってくる、いわゆる
圧力振動が発生するため、吸気の慣性効果を得るために
は、吸気の流速を高めると同時に、吸気弁の閉弁時期と
圧力振動による正圧波が気筒内に到達する時期とを同期
させる必要がある。

【０００９】上記した圧力振動の周期、言い換えれば吸
気弁が開弁した時点から正圧波が気筒内に到達する時点
までの所要時間は、気筒内から大気開放端までの距離に
応じて変化する。気筒内から大気開放端までの距離は、
通常、内燃機関が高回転運転状態にあるとき、言い換え
れば吸気行程の期間が短くなるときに、吸気弁の閉弁時
期と正圧波の到達時期とが同期するよう設定される。

【００１０】このため、内燃機関が低回転運転状態にあ
るとき、言い換えれば、吸気行程の期間が長くなるとき
に、吸気弁の閉弁時期と正圧波の到達時期とを同期させ
るには、吸気弁の開弁時期を過剰に遅角させる必要が生
じる。

【００１１】しかしながら、吸気弁の開弁時期が吸気行
程上死点より遅角された場合には、吸気行程上死点から
吸気弁が開弁するまでの期間において、気筒内のピスト
ンが負圧に抗して下降動作することになり、内燃機関の
ポンプ損失が生じるため、吸気弁の開弁時期が過剰に遅
角されると、内燃機関のポンプ損失が過剰に増大してし
まい、たとえ吸気の慣性効果によって吸気の充填効率が
向上しても内燃機関のトルクが向上せず、却ってトルク
が低下してしまう虞がある。

【００１２】本発明は、上記したような種々の事情に鑑
みてなされたものであり、可変動弁機構を備えた内燃機
関において、ポンプ損失を不要に増大させることなく吸
気の充填効率を高めることができる技術、特に内燃機関
が低回転運転状態にあるときの吸気の充填効率を高める
ことができる技術を提供することにより、内燃機関のト
ルクを向上させることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決するために以下のような手段を採用した。すなわ
ち、本発明に係る可変動弁機構を有する内燃機関は、吸
気弁及び排気弁が設けられた気筒と、前記吸気弁と前記
排気弁とのうち少なくとも吸気弁の開閉タイミングおよ
びまたはリフト量を変更可能な可変動弁機構と、前記気
筒の吸気行程において前記吸気弁の開度を一時的に絞る
べく前記可変動弁機構を制御する吸気弁開度制御手段
と、を備えることを特徴としている。

【００１４】このように構成された可変動弁機構を有す
る内燃機関では、吸気弁開度制御手段は、各気筒の吸気
行程において吸気弁の開度を一時的に絞るべく可変動弁
機構を制御することになる。

【００１５】吸気行程の途中で吸気弁の開度が一旦絞ら
れると、気筒内へ流入する吸気量が一時的に制限される
ため、気筒内の負圧度合いが高められ、気筒内へ流入す
る吸気の流速が高くなる。

【００１６】更に、吸気行程の途中で吸気弁の開度が絞
られると、吸気弁の開度が絞られた際に発生する負圧波
が気筒内から吸気系の大気開放端へ伝播し、次いで大気
開放端において正圧波として反射されて気筒内に戻って
くる圧力振動が発生するため、圧力振動による正圧波が
気筒内に到達する時期と吸気弁が閉弁する時期とを同期
させるべく吸気弁の絞り時期を設定すれば、吸気の慣性
効果を十分に得ることが可能となる。

【００１７】従って、各気筒の吸気行程において所定の
時期に吸気弁の開度が絞られると、各気筒内に流入する
吸気の流速が高くなるとともに、吸気の慣性効果が得ら
れることになるため、各気筒における吸気の充填効率が
向上する。尚、吸気弁の開度は、吸気行程途中で一時的
に絞られるのみであるため、過剰なポンプ損失が発生す
ることもない。

【００１８】次に、本発明に係る可変動弁機構として
は、例えば、電磁力を利用して吸気弁および排気弁を開
閉駆動する電磁駆動式動弁機構を例示することができ
る。その際、吸気弁開度制御手段は、内燃機関の運転状
態が低回転運転領域にあるときに、各気筒の吸気行程に
おいて吸気弁の開度を一時的に絞るべく電磁駆動式動弁
機構を制御するようにしてもよい。

【００１９】これは、内燃機関の運転状態が高回転運転
状態にあるときは、吸気の流速が高く、吸気の慣性効果
を得ることが容易となるが、内燃機関の運転状態が低回
転運転領域にあるときは、吸気の流速が遅く、吸気の慣
性効果を得ることが困難となるためである。

【００２０】また、本発明に係る可変動弁機構を有する
内燃機関において、内燃機関の運転状態が所定の運転領
域にあるときに該内燃機関の吸入空気量を所望の目標吸
入空気量とすべく電磁駆動式動弁機構を制御する吸気量
制御手段を更に備えている場合は、吸気弁開度制御手段
は、内燃機関の運転状態が前記した所定の運転領域にあ
るときに、各気筒の吸気行程において吸気弁の開度を一
時的に絞るべく電磁駆動式動弁機構を制御するようにし
てもよい。

【００２１】これは、吸気弁及び排気弁の開閉タイミン
グおよびまたはリフト量を制御することによって内燃機
関の吸入空気量を調整する、所謂ノンスロットル運転制
御が実現可能な内燃機関を想定したものであり、そのよ
うな内燃機関においてノンスロットル運転制御が実行さ
れている場合は、気筒内に流入する際の吸気の流速が低
くなり易いため、吸気の流速を高めて吸気の充填効率向
上と燃料の微粒化を図る必要があるからである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る可変動弁機構
を有する内燃機関の具体的な実施態様について図面に基
づいて説明する。

【００２３】図１は、本実施の形態に係る内燃機関とそ
の吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃
機関１は、複数の気筒２１を備えた４サイクルの水冷式
ガソリンエンジンである。

【００２４】内燃機関１は、４つの気筒２１及び冷却水
路１ｃが形成されたシリンダブロック１ｂと、このシリ
ンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１
ａとを備えている。

【００２５】前記シリンダブロック１ｂには、機関出力
軸たるクランクシャフト２３が回転自在に支持され、こ
のクランクシャフト２３は、各気筒２１内に摺動自在に
装填されたピストン２２と連結されている。

【００２６】各気筒２１のピストン２２上方には、ピス
トン２２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれ
た燃焼室２４が形成されている。前記シリンダヘッド１
ａには、各気筒２１の燃焼室２４に臨むよう点火栓２５
が取り付けられ、この点火栓２５には、該点火栓２５に
駆動電流を印加するためのイグナイタ２５ａが接続され
ている。

【００２７】前記シリンダヘッド１ａにおいて各気筒２
１の燃焼室２４に臨む部位には、吸気ポート２６の開口
端が２つ形成されるとともに、排気ポート２７の開口端
が２つ形成されている。そして、前記シリンダヘッド１
ａには、前記吸気ポート２６の各開口端を開閉する吸気
弁２８と、前記排気ポート２７の各開口端を開閉する排
気弁２９とが進退自在に設けられている。

【００２８】前記シリンダヘッド１ａには、励磁電流が
印加されたときに発生する電磁力を利用して前記吸気弁
２８を進退駆動する電磁駆動機構３０（以下、吸気側電
磁駆動機構３０と記す）が吸気弁２８と同数設けられて
いる。各吸気側電磁駆動機構３０には、該吸気側電磁駆
動３０に励磁電流を印加するための駆動回路３０ａ（以
下、吸気側駆動回路３０ａと記す）が電気的に接続され
ている。

【００２９】前記シリンダヘッド１ａには、励磁電流が
印加されたときに発生する電磁力を利用して前記排気弁
２９を進退駆動する電磁駆動機構３１（以下、排気側電
磁駆動機構３１と記す）が排気弁２９と同数設けられて
いる。各排気側電磁駆動機構３１には、該排気側電磁駆
動機構３１に励磁電流を印加するための駆動回路３１ａ
（以下、排気側電磁駆動機構３１と記す）が電気的に接
続されている。

【００３０】上記した吸気側電磁駆動機構３０と排気側
電磁駆動機構３１とは、本発明に係る可変動弁機構を実
現するものである。ここで、吸気側電磁駆動機構３０と
排気側電磁駆動機構３１の具体的な構成について述べ
る。尚、吸気側電磁駆動機構３０と排気側電磁駆動機構
３１とは同様の構成であるため、吸気側電磁駆動機構３
０のみを例に挙げて説明する。

【００３１】図２は、吸気側電磁駆動機構３０の構成を
示す断面図である。図２において内燃機関１のシリンダ
ヘッド１ａは、シリンダブロック１ｂの上面に固定され
るロアヘッド１０と、このロアヘッド１０の上部に設け
られたアッパヘッド１１とを備えている。

【００３２】前記ロアヘッド１０には、各気筒２１毎に
２つの吸気ポート２６が形成され、各吸気ポート２６の
燃焼室２４側の開口端には、吸気弁２８の弁体２８ａが
着座するための弁座１２が設けられている。

【００３３】ロアヘッド１０には、各吸気ポート２６の
内壁面からこのロアヘッド１０の上面にかけて断面円形
の貫通孔が形成され、この貫通孔には、この貫通孔に挿
通される吸気弁２８の弁軸２８ｂを進退自在に保持する
筒状のバルブガイド１３が挿入されている。

【００３４】アッパヘッド１１において前記バルブガイ
ド１３と軸心が同一となる部位には、第１コア３０１及
び第２コア３０２が嵌入される断面円形のコア取付孔１
４が設けられている。前記コア取付孔１４の下部１４ｂ
は、その上部１４ａに比して径大に形成されている。以
下では、前記コア取付孔１４の下部１４ｂを径大部１４
ｂと称し、前記コア取付孔１４の上部１４ａを径小部１
４ａと記す。

【００３５】前記径小部１４ａには、軟磁性体からなる
環状の第１コア３０１と第２コア３０２とが所定の間隙
３０３を介して軸方向に直列に嵌挿されている。これら
の第１コア３０１の上端と第２コア３０２の下端には、
それぞれフランジ３０１ａとフランジ３０２ａが形成さ
れており、第１コア３０１は上方から、また第２コア３
０２は下方からそれぞれコア取付孔１４に嵌挿され、フ
ランジ３０１ａとフランジ３０２ａがコア取付孔１４の
縁部に当接することにより第１コア３０１と第２コア３
０２の位置決めがされて、前記間隙３０３が所定の距離
に保持されるようになっている。

【００３６】第１コア３０１の上方には、筒状のアッパ
キャップ３０５が設けられている。このアッパキャップ
３０５は、その下端に形成されたフランジ部３０５ａに
ボルト３０４を貫通させてアッパヘッド１１上面に固定
されている。この場合、フランジ部３０５ａを含むアッ
パキャップ３０５の下端が第１コア３０１の上面周縁部
に当接した状態で固定されることになり、その結果、第
１コア３０１がアッパヘッド１１に固定されることにな
る。

【００３７】一方、第２コア３０２の下部には、コア取
付孔１４の径大部１４ｂと略同径の外径を有する環状体
からなるロアキャップ３０７が設けられている。このロ
アキャップ３０７にはボルト３０７が貫通し、そのボル
ト３０７により前記径小部１４ａと径大部１４ｂの段部
における下向きの段差面に固定されている。この場合、
ロアキャップ３０７が第１コア３０２の下面周縁部に当
接した状態で固定されることになり、その結果、第２コ
ア３０２がアッパヘッド１１に固定されることになる。

【００３８】前記第１コア３０１の前記間隙３０３側の
面に形成された溝部には、第１の電磁コイル３０８が把
持されており、前記第２コア３０２の間隙３０３側の面
に形成された溝部には第２の電磁コイル３０９が把持さ
れている。その際、第１の電磁コイル３０８と第２の電
磁コイル３０９とは、前記間隙３０３を介して向き合う
位置に配置されるものとする。そして、第１及び第２の
電磁コイル３０８、３０９は、前述した吸気側駆動回路
３０ａと電気的に接続されている。

【００３９】前記間隙３０３には、該間隙３０３の内径
より径小な外径を有する環状の軟磁性体からなるアーマ
チャ３１１が配置されている。このアーマチャ３１１の
中空部には、該アーマチャ３１１の軸心に沿って上下方
向に延出した円柱状のアーマチャシャフト３１０が固定
されている。このアーマチャシャフト３１１は、その上
端が前記第１コア３０１の中空部を通ってその上方のア
ッパキャップ３０５内まで至るとともに、その下端が第
２コア３０２の中空部を通ってその下方の径大部１４ｂ
内に至るよう形成され、前記第１コア３０１及び前記第
２コア３０２によって軸方向へ進退自在に保持されてい
る。

【００４０】前記アッパキャップ３０５内に延出したア
ーマチャシャフト３１０の上端部には、円板状のアッパ
リテーナ３１２が接合されるとともに、前記アッパキャ
ップ３０５の上部開口部にはアジャストボルト３１３が
螺着され、これらアッパリテーナ３１２とアジャストボ
ルト３１３との間には、アッパスプリング３１４が介在
している。また、前記アジャストボルト３１３と前記ア
ッパスプリング３１４との当接面には、前記アッパキャ
ップ３０５の内径と略同径の外径を有するスプリングシ
ート３１５が介装されている。

【００４１】一方、前記大径部１２ｂ内に延出したアー
マチャシャフト３１０の下端部には、吸気弁２８の弁軸
２８ｂの上端部が当接している。前記弁軸２８ｂの上端
部の外周には、円盤状のロアリテーナ２８ｃが接合され
ており、そのロアリテーナ２８ｃの下面とロアヘッド１
０の上面との間には、ロアスプリング３１６が介在して
いる。

【００４２】このように構成された吸気側電磁駆動機構
３０では、吸気側駆動回路３０ａから第１の電磁コイル
３０８及び第２の電磁コイル３０９に対して励磁電流が
印加されていないときは、アッパスプリング３１４から
アーマチャシャフト３１０に対して下方向（すなわち、
吸気弁２８を開弁させる方向）への付勢力が作用すると
ともに、ロアスプリング３１６から吸気弁２８に対して
上方向（すなわち、吸気弁２８を閉弁させる方向）への
付勢力が作用し、その結果、アーマチャシャフト３１０
及び吸気弁２８が互いに当接して所定の位置に弾性支持
された状態、いわゆる中立状態に保持されることにな
る。

【００４３】尚、アッパスプリング３１４とロアスプリ
ング３１６の付勢力は、前記アーマチャ３１１の中立位
置が前記間隙３０３において前記第１コア３０１と前記
第２コア３０２との中間の位置に一致するよう設定され
ており、構成部品の初期公差や経年変化等によってアー
マチャ３１１の中立位置が前記した中間位置からずれた
場合には、アーマチャ３１１の中立位置が前記した中間
位置と一致するようアジャストボルト３１３によって調
整することが可能になっている。

【００４４】また、前記アーマチャシャフト３１０及び
前記弁軸２８ｂの軸方向の長さは、前記アーマチャ３１
１が前記間隙３０３の中間位置に位置するときに、前記
弁体２８ａが全開側変位端と全閉側変位端との中間の位
置（以下、中開位置と称する）となるように設定されて
いる。

【００４５】前記した吸気側電磁駆動機構３０では、吸
気側駆動回路３０ａから第１の電磁コイル３０８に対し
て励磁電流が印加されると、第１コア３０１と第１の電
磁コイル３０８とアーマチャ３１１との間に、アーマチ
ャ３１１を第１コア３０１側へ変位させる方向の電磁力
が発生し、吸気側駆動回路３０ａから第２の電磁コイル
３０９に対して励磁電流が印加されると、第２コア３０
２と第２の電磁コイル３０９とアーマチャ３１１との間
にアーマチャ３１１を前記第２コア３０２側へ変位させ
る方向の電磁力が発生する。

【００４６】従って、上記した吸気側電磁駆動機構３０
では、吸気側駆動回路３０ａからの励磁電流が第１の電
磁コイル３０８と第２の電磁コイル３０９とに交互に印
加されることにより、アーマチャ３１１が進退動作し、
以て弁体２８ａが開閉駆動されることになる。その際、
第１の電磁コイル３０８及び第２の電磁コイル３０９に
対する励磁電流の印加タイミングと励磁電流の大きさを
変更することにより、吸気弁２８の開閉タイミングを制
御することが可能となる。

【００４７】また、上記した吸気側電磁駆動機構３０に
は、吸気弁２８の変位を検出するバルブリフトセンサ３
１７が取り付けられている。このバルブリフトセンサ３
１７は、アッパリテーナ３１２の上面に取り付けられた
円板状のターゲット３１７ａと、アジャストボルト３１
３における前記アッパリテーナ３１２と対向する部位に
取り付けられたギャップセンサ３１７ｂとから構成され
ている。

【００４８】このように構成されたバルブリフトセンサ
３１７では、前記ターゲット３１７ａが前記吸気側電磁
駆動機構３０のアーマチャ３１１と一体的に変位し、前
記ギャップセンサ３１７ｂが該ギャップセンサ３１７ｂ
と前記ターゲット３１７ａとの距離に対応した電気信号
を出力することになる。

【００４９】その際、アーマチャ３１１が中立状態にあ
るときのギャップセンサ３１７ｂの出力信号値を予め記
憶しておき、その出力信号値と現時点におけるギャップ
センサ３１７ｂの出力信号値との偏差を算出することに
より、アーマチャ３１１及び吸気弁２８の変位を特定す
ることが可能となる。

【００５０】ここで、図１に戻り、内燃機関１のシリン
ダヘッド１ａには、４つの枝管からなる吸気枝管３３が
接続され、各気筒２１の吸気ポート２６が前記吸気枝管
３３の各枝管と連通している。前記シリンダヘッド１ａ
において前記吸気枝管３３との接続部位の近傍には、そ
の噴孔が吸気ポート２６内に臨むよう燃料噴射弁３２が
取り付けられている。

【００５１】前記吸気枝管３３は、吸気の脈動を抑制す
るためのサージタンク３４に接続されている。前記サー
ジタンク３４には、吸気管３５が接続されている。前記
吸気管３５は、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエア
クリーナボックス３６と接続されている。

【００５２】前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流
れる空気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を
出力するエアフローメータ４４が取り付けられている。
前記吸気管３５において前記エアフローメータ４４より
下流の部位には、該吸気管３５内を流れる吸気の流量を
調整するスロットル弁３９が設けられている。

【００５３】前記スロットル弁３９には、ステッパモー
タ等からなり印加電力の大きさに応じて前記スロットル
弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０
と、前記スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を
出力するスロットルポジションセンサ４１と、アクセル
ペダル４２に機械的に接続され該アクセルペダル４２の
操作量に対応した電気信号を出力するアクセルポジショ
ンセンサ４３とが取り付けられている。

【００５４】一方、前記内燃機関１のシリンダヘッド１
ａには、４本の枝管が内燃機関１の直下流において１本
の集合管に合流するよう形成された排気枝管４５が接続
され、各気筒２１の排気ポート２７が前記排気枝管４５
の各枝管と連通している。

【００５５】前記した排気枝管４５の集合管は、排気浄
化触媒４６と接続されている。排気浄化触媒４６は、排
気管４７と接続され、排気管４７は、下流にて図示しな
いマフラーと接続されている。

【００５６】前記排気枝管４５の集合管には、該排気枝
管４５内を流れる排気の空燃比、言い換えれば、前記排
気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比に対応した電気
信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられてい
る。

【００５７】前記排気浄化触媒４６は、例えば、該排気
浄化触媒４６に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍
の所定の空燃比であるときに排気中に含まれる炭化水素
（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）
を浄化する三元触媒、該排気浄化触媒４６に流入する排
気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中に含まれ
る窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、流入排気の空燃比が
理論空燃比もしくはリッチ空燃比であるときは吸蔵して
いた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ還元・浄化する
吸蔵還元型ＮＯx触媒、該排気浄化触媒４６に流入する
排気の空燃比が酸素過剰状態にあり且つ所定の還元剤が
存在するときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を還元・
浄化する選択還元型ＮＯx触媒、もしくは上記した各種
の触媒を適宜組み合わせてなる触媒である。

【００５８】また、内燃機関１は、クランクシャフト２
３の端部に取り付けられたタイミングロータ５１ａとタ
イミングロータ５１ａ近傍のシリンダブロック１ｂに取
り付けられた電磁ピックアップ５１ｂとからなるクラン
クポジションセンサ５１と、内燃機関１の内部に形成さ
れた冷却水路１ｃを流れる冷却水の温度を検出すべくシ
リンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２と
を備えている。

【００５９】このように構成された内燃機関１には、該
内燃機関１の運転状態を制御するための電子制御ユニッ
ト（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）２０が併設さ
れている。

【００６０】前記ＥＣＵ２０には、スロットルポジショ
ンセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフ
ローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジショ
ンセンサ５１、水温センサ５２、バルブリフトセンサ３
１７等の各種センサが電気配線を介して接続され、各セ
ンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになって
いる。

【００６１】前記ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、
吸気側駆動回路３０ａ、排気側駆動回路３１ａ、燃料噴
射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０等が電気配
線を介して接続され、ＥＣＵ２０が各種センサの出力信
号値をパラメータとしてイグナイタ２５ａ、吸気側駆動
回路３０ａ、排気側駆動回路３１ａ、燃料噴射弁３２、
スロットル用アクチュエータ４０を制御することが可能
になっている。

【００６２】ここで、ＥＣＵ２０は、図３に示すよう
に、双方向性バス４００によって相互に接続されたＣＰ
Ｕ４０１とＲＯＭ４０２とＲＡＭ４０３とバックアップ
ＲＡＭ４０４と入力ポート４０５と出力ポート４０６と
を備えるとともに、前記入力ポート４０５に接続された
Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）４０７を備えている。

【００６３】前記Ａ／Ｄ４０７には、スロットルポジシ
ョンセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エア
フローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５
２、バルブリフトセンサ３１７等のようにアナログ信号
形式の信号を出力するセンサと電気配線を介して接続さ
れ、各センサの出力信号をアナログ信号形式からデジタ
ル信号形式に変換した後に前記入力ポート４０５へ送信
する。

【００６４】前記入力ポート４０５は、前述したスロッ
トルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ
４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温
センサ５２等のようにアナログ信号形式の信号を出力す
るセンサと前記Ａ／Ｄ４０７を介して接続されるととも
に、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信
号形式の信号を出力するセンサと直接接続されている。

【００６５】前記入力ポート４０５は、各種センサの出
力信号を直接又はＡ／Ｄ４０７を介して入力し、それら
の出力信号を双方向性バス４００を介してＣＰＵ４０１
やＲＡＭ４０３へ送信する。

【００６６】前記出力ポート４０６は、イグナイタ２５
ａ、吸気側駆動回路３０ａ、排気側駆動回路３１ａ、燃
料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０等と電
気配線を介して接続されている。前記出力ポート４０６
は、ＣＰＵ４０１から出力された制御信号を双方向性バ
ス４００を介して入力し、その制御信号をイグナイタ２
５ａ、吸気側駆動回路３０ａ、排気側駆動回路３１ａ、
燃料噴射弁３２、又はスロットル用アクチュエータ４０
へ送信する。

【００６７】前記ＲＯＭ４０２は、燃料噴射量を決定す
るための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定
するための燃料噴射時期制御ルーチン、吸気弁２８の開
閉タイミングを決定するための吸気弁開閉タイミング制
御ルーチン、排気弁２９の開閉タイミングを決定するた
めの排気弁開閉タイミング制御ルーチン、吸気側電磁駆
動機構３０に印加すべき励磁電流量を決定するための吸
気側励磁電流制御ルーチン、排気側電磁駆動機構３１に
印加すべき励磁電流量を決定するための排気側励磁電流
量制御ルーチン、各気筒２１の点火栓２５の点火時期を
決定するための点火時期制御ルーチン、スロットル弁３
９の開度を決定するためのスロットル開度制御ルーチン
等のアプリケーションプログラムに加え、吸気弁２８の
開度を所望の開度とすべく吸気側駆動回路３０ａを制御
するための吸気弁開度制御ルーチンを記憶している。

【００６８】前記ＲＯＭ４０２は、前記したアプリケー
ションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶して
いる。前記した制御マップは、例えば、内燃機関１の運
転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マッ
プ、内燃機関１の運転状態と燃料噴射時期との関係を示
す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸
気弁２８の開閉タイミングとの関係を示す吸気弁開閉タ
イミング制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気弁２
９の開閉タイミングとの関係を示す排気弁開閉タイミン
グ制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気側電磁駆動
機構３０及び排気側電磁駆動機構３１に印加すべき励磁
電流量との関係を示す励磁電流量制御マップ、内燃機関
１の運転状態と各点火栓２５の点火時期との関係を示す
点火時期制御マップ、内燃機関１の運転状態とスロット
ル弁３９の開度との関係を示すスロットル開度制御マッ
プ、内燃機関１の運転状態と吸気弁２８の開度との関係
を示す吸気弁開度制御マップ等である。

【００６９】前記ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号
やＣＰＵ４０１の演算結果等を記憶する。前記演算結果
は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号
に基づいて算出される機関回転数等である。前記ＲＡＭ
４０３に記憶される各種のデータは、クランクポジショ
ンセンサ５１が信号を出力する度に最新のデータに書き
換えられる。

【００７０】前記バックアップＲＡＭ４５は、内燃機関
１の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリで
あり、各種制御に係る学習値等を記憶する。前記ＣＰＵ
４０１は、前記ＲＯＭ４０２に記憶されたアプリケーシ
ョンプログラムに従って動作し、燃料噴射制御、点火制
御を実行すると共に、本発明の要旨となる吸気弁開度制
御を実行する。

【００７１】以下、本実施の形態にかかる吸気弁開度制
御について述べる。内燃機関１の運転状態が低回転運転
領域にあるときの吸気弁２８の開閉タイミングは、通
常、図４に示すように、吸気行程上死点で吸気弁２８が
開弁するとともに吸気行程下死点で吸気弁２８が閉弁す
るよう設定されるが、機関回転数が低いときは吸気の流
速が低く、吸気の慣性効果を十分に得ることができない
ため、吸気弁２８の閉弁時における気筒内の圧力を大気
圧より高くすることができない。

【００７２】これに対して、図５に示すように、吸気弁
２８の開弁時期を吸気行程上死点より遅角させ、吸気行
程上死点から吸気弁２８が開弁するまでの期間において
気筒２１内に負圧を発生させることにより、吸気弁２８
の開弁時における吸気の流速を高め、吸気の慣性効果を
得ることが考えられる。

【００７３】しかしながら、内燃機関１の吸気系は、内
燃機関１の運転状態が高回転運転領域にあるとき、つま
り吸気行程期間が短くなるときに、吸気の慣性効果が得
られるように設計されている。このため、内燃機関１の
運転状態が低回転運転領域にあるとき、つまり吸気行程
期間が長くなるときに吸気の慣性効果を得るためには、
吸気弁２８の開弁時期と閉弁時期との時間的な間隔が短
くすべく吸気弁２８の開弁時期を多量に遅角させなけれ
ばならず、内燃機関１のポンプ損失が不要に増大してし
まう。

【００７４】そこで、本実施の形態に係る吸気弁開度制
御では、ＣＰＵ４０１は、各気筒２１の吸気行程の途中
で吸気弁２８の開度を一時的に全閉位置まで絞るように
した。つまり、本実施の形態に係る吸気弁開度制御で
は、ＣＰＵ４０１は、各気筒２１の吸気行程において、
吸気弁２８を２回開閉駆動するようにした。

【００７５】以下では、各気筒２１の吸気行程で吸気弁
２８が２回開閉駆動される場合の１回目の開弁時期を第
１の開弁時期：ＶＯ1、１回目の閉弁時期を第１の閉弁
時期：ＶＣ1、２回目の開弁時期を第２の開弁時期：Ｖ
Ｏ2、２回目の閉弁時期を第２の閉弁時期：ＶＣ2と称す
るものとする。

【００７６】このように各気筒２１の吸気行程において
吸気弁２８が２回開閉駆動されると、図６に示すよう
に、第１の開弁時期：ＶＯ1から第１の閉弁時期：ＶＣ1
までの開弁期間では、ピストン２２の下降動作に応じて
気筒２１内に吸気が流入することになるため、気筒２１
内の圧力は、略大気圧となっている。

【００７７】続いて、第１の閉弁時期：ＶＣ1から第２
の開弁時期：ＶＯ2までの閉弁期間では、ピストン２２
の下降動作に応じて気筒２１内に吸気が流入しなくなる
ため、気筒２１内に負圧が発生し、その結果、吸気弁２
８の上流（吸気系）と下流（気筒２１内）との間に圧力
差が生じることになる。

【００７８】第２の開弁時期：ＶＯ2から第２の閉弁時
期：ＶＣ2までの開弁期間では、吸気弁２８の上流と下
流との圧力差によって気筒２１内に流入する吸気の流速
が高められることになる。

【００７９】更に、前記の圧力差によって吸気弁２８近
傍に負圧波が発生し、その負圧波が吸気系へ伝播し、次
いで前記負圧波が吸気系の大気開放端にて正圧波として
反射されて前記吸気弁２８近傍に戻ってくる、いわゆる
圧力振動が発生することになるため、圧力振動による正
圧波が気筒２１内に到達する時期と第２の閉弁時期：Ｖ
Ｃ2とが同期するように第２の開弁時期：ＶＯ2を設定す
ることにより、吸気の慣性効果を得ることが可能とな
り、その結果、第２の閉弁時期：ＶＣ2における気筒２
１内の圧力を大気圧より高くすることが可能となる。

【００８０】一方、気筒２１内へ流入する吸気の流速
は、吸気弁２８の上流と下流との圧力差の大きさに応じ
て変化し、前記の圧力差は、第１の閉弁時期：ＶＣ1と
第２の開弁時期：ＶＯ2との間隔に応じて変化するた
め、第１の閉弁時期：ＶＣ1と第２の開弁時期：ＶＯ2と
の間隔を長くして吸気の流速を高めることが考えられ
る。

【００８１】しかしながら、吸気の流速は音速で最大と
なるため、第１の閉弁時期：ＶＣ1と第２の開弁時期：
ＶＯ2との間隔を過剰に長くしても、吸気の流速を高め
ることは不可能となり、内燃機関１のポンプ損失を増大
させるだけとなる。

【００８２】そこで、本実施の形態では、第１の閉弁時
期：ＶＣ1と第２の開弁時期：ＶＯ2との間隔は、吸気の
流速を音速とする上で必要最小限の間隔（以下、一時閉
弁間隔と記す）となるように設定されるものとする。こ
の一時閉弁間隔は、予め実験的に求められてＲＯＭ４０
２の所定領域に記憶されているものとする。

【００８３】次に、本実施の形態に係る吸気弁開度制御
について具体的に説明する。ＣＰＵ４０１は、吸気弁開
度制御を実行するにあたり、図７に示すような吸気弁開
度制御ルーチンを実行することになる。この吸気弁開度
制御ルーチンは、ＲＯＭ４０２に予め記憶されているル
ーチンであって、ＣＰＵ４０１によって所定時間毎（例
えば、クランクポジションセンサ５１がパルス信号を出
力する度）に繰り返し実行されるルーチンである。

【００８４】前記吸気弁開度制御ルーチンでは、ＣＰＵ
４０１は、先ず、Ｓ７０１において、ＲＡＭ４０３の所
定領域へアクセスし、最新の機関回転数（Ｎｅ）を読み
出す。

【００８５】Ｓ７０２では、ＣＰＵ４０１は、前記Ｓ７
０１で読み出された機関回転数（Ｎｅ）が所定回転数
（Ｎｅｓ）以下であるか否かを判別する。ここで、前記
した所定回転数（Ｎｅｓ）は、吸気弁２８が通常の開閉
タイミングで開閉駆動された場合において、所望の慣性
効果を得ることができる最低の機関回転数である。この
所定回転数（Ｎｅｓ）は、予め実験的に求められた値で
あり、ＲＯＭ４０２の所定領域に記憶されている。

【００８６】前記Ｓ７０２において前記機関回転数（Ｎ
ｅ）が前記所定回転数（Ｎｅｓ）以上であると判定した
場合は、ＣＰＵ４０１は、吸気弁２８を通常の開閉タイ
ミングで開閉駆動しても所望の慣性効果を得ることが可
能であるとみなし、Ｓ７０７へ進む。

【００８７】Ｓ７０７では、ＣＰＵ４０１は、通常の開
閉タイミングで吸気弁２８を開閉駆動すべく吸気側駆動
回路３０ａを制御する。一方、前記Ｓ７０２において前
記機関回転数（Ｎｅ）が前記所定回転数（Ｎｅｓ）より
低いと判定した場合は、ＣＰＵ４０１は、吸気弁２８を
通常の開閉タイミングで開閉駆動しても所望の慣性効果
を得ることができないとみなし、Ｓ７０３へ進む。

【００８８】Ｓ７０３では、ＣＰＵ４０１は、第１の開
弁時期：ＶＯ1、第１の閉弁時期：ＶＣ1、第２の開弁時
期：ＶＯ2、及び第２の閉弁時期：ＶＣ2を算出する。具
体的には、ＣＰＵ４０１は、先ず、第１の開弁時期：Ｖ
Ｏ1を吸気行程上死点に設定するとともに、第２の閉弁
時期：ＶＣ2を吸気行程下死点に設定する。

【００８９】続いて、ＣＰＵ４０１は、第２の開弁時
期：ＶＯ2に発生する圧力振動の正圧波が気筒２１内に
到達する時期と第２の閉弁時期：ＶＣ2とが同期するよ
うに第２の開弁時期：ＶＯ2を決定する。

【００９０】すなわち、第２の開弁時期：ＶＯ2から第
２の閉弁時期：ＶＣ2までの所要時間（以下、第２の開
弁時間：ＴOと記す）と、第２の開弁時期：ＶＯ2から正
圧波が気筒２１に到達する時点までの所要時間（以下、
正圧波伝播時間：ＴSと記す）とが一致するように第２
の開弁時期：ＶＯ2を決定する。

【００９１】その際、正圧波の伝播速度が音速で略一定
となるため前記正圧波伝播時間：ＴSは略一定値となる
が、第２の開弁時間：ＴOは機関回転数（Ｎｅ）に応じ
て変化するため、機関回転数（Ｎｅ）と正圧波伝播時
間：ＴSと第２の開弁時期：ＶＯ2との関係を予め実験的
に求めておき、それらの関係をマップ化してＲＯＭ４０
２に記憶しておくようにしてもよい。

【００９２】上記したように第２の開弁時期：ＶＯ2が
算出されると、ＣＰＵ４０１は、ＲＯＭ４０２に記憶さ
れている一時閉弁間隔を読み出し、前記第２の開弁時
期：ＶＯ2から前記一時閉弁間隔を減算して、第１の閉
弁時期：ＶＣ1を算出する。

【００９３】このようにＳ７０２の処理を実行し終える
と、ＣＰＵ４０１は、Ｓ７０４へ進み、前記Ｓ７０３で
算出された第１の開弁時期：ＶＯ1、第１の閉弁時期：
ＶＣ1、第２の開弁時期：ＶＯ2、及び第２の閉弁時期：
ＶＣ2に従って各気筒２１の吸気弁２８を開閉駆動すべ
く、吸気側駆動回路３０ａを制御する。

【００９４】この場合、各気筒２１の吸気弁２８は、先
ず、第１の開弁時期：ＶＯ1で開弁された後に、第１の
閉弁時期：ＶＣ1で一旦閉弁される。次いで、各気筒２
１の吸気弁２８は、前記第１の閉弁時期：ＶＣ1で閉弁
された後の第２の開弁時期：ＶＯ2で再び開弁され、第
２の閉弁時期：ＶＣ2で再度閉弁されることになる。つ
まり、各気筒２１の吸気弁２８は、前述した図６の説明
で述べたように、各気筒２１の吸気行程において２回開
閉駆動されることになる。

【００９５】この結果、気筒２１内に流入する吸気の流
速が高められるとともに、第２の開弁時期：ＶＯ2に発
生する圧力振動の正圧波が第２の閉弁時期：ＶＣ2と同
期することになるため、各気筒２１における吸気の充填
効率を高めることが可能となる。

【００９６】更に、本実施の形態では、第１の閉弁時
期：ＶＣ1と第２の開弁時期：ＶＯ2との間隔（一時閉弁
間隔）は、気筒２１内に流入する吸気の流速を音速とす
る上で最低限の長さに設定されるため、内燃機関１のポ
ンプ損失が不要に増大することがない。

【００９７】このようにＣＰＵ４０１が吸気弁開度制御
ルーチンを実行することにより、本発明に係る吸気弁開
度制御手段が実現されることになる。従って、本実施の
形態に係る可変動弁機構を有する内燃機関によれば、内
燃機関１の運転状態が低回転運転領域にあるときに、内
燃機関１のポンプ損失を不要に増大させることなく各気
筒２１内に流入する吸気の流速を高めることができると
ともに、吸気の慣性効果を得ることができるため、各気
筒２１における吸気の充填効率を高め、以て内燃機関１
のトルクを向上させることが可能となる。

【００９８】尚、電磁駆動式動弁機構を備えた内燃機関
１において、吸気管負圧の発生に伴うポンプ損失を防止
すべく、スロットル弁３９を実質的に全開となる開度に
保持しつつ、吸気弁２８及び排気弁２９の開閉タイミン
グを制御して吸入空気量を制御する、所謂ノンスロット
ル運転制御が実行される場合には、吸気通路内の圧力が
略大気圧となり、吸気行程中の気筒２１内においても負
圧が発生し難くなるため、吸気の流速が低く、燃料噴射
弁３２から噴射された燃料を気化することが困難となる
ことが想定される。

【００９９】そこで、本実施の形態では、内燃機関１が
ノンスロットル運転される場合には、ＣＰＵ４０１は、
図８に示すように、吸気弁２８の開弁時期を吸気行程上
死点から所定量遅角させることにより、吸気弁２８開弁
時における吸気弁２８の上流と下流との圧力差を増大さ
せ、以て気筒２１内に流入する吸気の流速を高めて燃料
の微粒化及び霧化を促進させるようにしてもよい。

【０１００】この場合、吸気行程中の気筒２１内には、
新気と燃料とが均質に混合された良好な可燃混合気が形
成されることになる。この結果、必要最小限の燃料によ
って所望の可燃混合気を形成することが可能となり、燃
料消費量が低減されることになる。

【０１０１】

【発明の効果】本発明に係る可変動弁機構を有する内燃
機関では、各気筒の吸気行程途中で吸気弁の開度を一時
的に絞ることにより、気筒内へ流入する吸気の流速を高
くすることが可能となる。

【０１０２】更に、本発明に係る可変動弁機構を有する
内燃機関では、吸気弁の開度が絞られると、気筒内で発
生した負圧波が内燃機関の吸気系へ伝播し、次いで吸気
系の大気開放端にて正圧波として反射されて気筒内に戻
ってくる、いわゆる圧力振動が発生することになるた
め、圧力振動による正圧波が気筒内に到達する時期と吸
気弁が閉弁する時期とを同期させるべく吸気弁の絞り時
期を設定することにより、吸気の慣性効果を得ることが
可能となる。

【０１０３】その際、吸気弁の開度は、吸気行程途中で
一時的に絞られるのみであるため、内燃機関のポンプ損
失が不要に増大することもない。従って、本発明に係る
可変動弁機構を有する内燃機関によれば、内燃機関のポ
ンプ損失を不要に増大させることなく、気筒内に流入す
る吸気の流速を高めることができるとともに吸気の慣性
効果を得ることが可能となるため、各気筒における吸気
の充填効率が向上し、以て内燃機関のトルクを向上させ
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る可変動弁機構を有する内燃機関
の概略構成を示す図

【図２】 吸気側電磁駆動機構の内部構成を示す図

【図３】 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図

【図４】 従来の吸気弁開閉タイミングと筒内圧力との
関係を示す図（１）

【図５】 従来の吸気弁開閉タイミングと筒内圧力との
関係を示す図（２）

【図６】 本実施の形態に係る吸気弁開閉タイミングと
筒内圧力との関係を示す図

【図７】 本実施の形態に係る吸気弁開度制御ルーチン
を示すフローチャート図

【図８】 他の実施の形態に係る吸気弁開閉タイミング
と筒内圧力との関係を示す図

【符号の説明】

１・・・・内燃機関 ２０・・・ＥＣＵ ２６・・・吸気ポート ２７・・・排気ポート ２８・・・吸気弁 ２９・・・排気弁 ３０・・・吸気側電磁駆動機構 ３０ａ・・吸気側駆動回路 ３１・・・排気側電磁駆動機構 ３１ａ・・排気側駆動回路 ５１・・・クランクポジションセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 正明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 四重田 啓二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G018 AB09 AB16 BA38 CA12 DA37 DA70 EA02 EA03 EA11 EA16 EA17 EA19 EA22 EA24 EA32 FA01 FA08 GA06 GA07 3G092 AA01 AA11 BA01 DA01 DA07 DF01 DG09 EA02 EA04 EA28 FA02 GA17 HA01X HA01Z HA06X HA06Z HA13X HA13Z HE01X HE01Z HE04X HE04Z

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気弁及び排気弁が設けられた気筒と、 前記吸気弁と前記排気弁とのうち少なくとも吸気弁の開
   閉タイミングおよびまたはリフト量を変更可能な可変動
   弁機構と、 前記気筒の吸気行程において前記吸気弁の開度を一時的
   に絞るべく前記可変動弁機構を制御する吸気弁開度制御
   手段と、 を備えることを特徴とする可変動弁機構を有する内燃機
   関。
2. 【請求項２】 前記可変動弁機構は、電磁力を利用して
   吸気弁および排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構
   であることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構
   を有する内燃機関。
3. 【請求項３】 前記吸気弁開度制御手段は、前記内燃機
   関の運転状態が低回転運転領域にあるときに、前記気筒
   の吸気行程において前記吸気弁の開度を一時的に絞るべ
   く前記電磁駆動式動弁機構を制御することを特徴とする
   請求項２に記載の可変動弁機構を有する内燃機関。
4. 【請求項４】 前記内燃機関の運転状態が所定の運転領
   域にあるときに該内燃機関の吸入空気量を所望の目標吸
   入空気量とすべく前記電磁駆動式動弁機構を制御する吸
   気量制御手段を更に備え、 前記吸気弁開度制御手段は、前記内燃機関の運転状態が
   前記した所定の運転領域にあるときに、前記気筒の吸気
   行程において前記吸気弁の開度を一時的に絞るべく前記
   電磁駆動式動弁機構を制御することを特徴とする請求項
   ２に記載の可変動弁機構を有する内燃機関。