JP2001241337A - 電磁駆動弁を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中低速の機関回転数領域における排気音を好
適に抑制することのできる電磁駆動弁を有する内燃機関
を提供する。 【解決手段】 内燃機関１は、電磁コイルとスプリング
との協働によって吸気弁２８を開閉弁駆動する吸気側電
磁駆動弁機構３０と、排気弁２９を開閉弁駆動する排気
側電磁駆動弁機構３１とを、各気筒２１上に各々２体ず
つ備える。ＥＣＵ２０は、機関回転数に基づいて、内燃
機関１の運転状態が低中速回転数域にあると認識した場
合、同一気筒２１上における２体の電磁駆動弁機構３１
各々が駆動する排気弁２９の開弁タイミングを相互に異
ならせるよう駆動回路に指令する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁駆動弁を少な
くとも排気弁として複数搭載する内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の内燃機関としては、例え
ば特公平７−１１１１２７に記載された内燃機関のよう
に、電磁石による電磁力とスプリングによるバネ力との
協働によって直接吸排気弁を駆動する電磁駆動弁機構を
備える。この電磁駆動弁機構は、弁体と連動して直線動
作（リフト）する軸体をその動作方向の両側からスプリ
ングによって付勢することにより、同軸体を、これと連
動する弁体とともに所定位置（中立位置）に保持する。
そして、この軸体（弁体）に固有振動を生じさせるとと
も、同じくその動作方向の両側から電磁力を適宜付与す
ることにより、その動作態様を制御して各弁体の開閉弁
タイミングや開弁量（リフト量）を操作する。

【０００３】このように、いわゆる電磁駆動弁としての
吸気弁或いは排気弁を搭載する内燃機関では、例えばク
ランクシャフトとベルト連結されたカムシャフトの回転
に伴って吸排気弁を開閉弁動作させるタイプ（以下、カ
ムタイプという）のものとは異なり、個々の吸排気弁を
独立して駆動制御することとなる。このため、各弁の開
閉弁動作のタイミング（バルブタイミング）、動作角の
変更にかかる制御の自由度、更には所望のリフト位置に
弁を遷移させる際の弁動作の応答性等々に関して優れた
特質を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にスプリングのバネ力によって発生するアーマチャの固
有振動が弁体の基本動作を決定づける電磁駆動弁におい
ては、特定の振幅に見合う弁体の変位速度が、基本的に
はスプリングの機械的特性（バネ定数）によって定ま
る。一方、内燃機関が、広い機関回転数の領域で好適な
運転状態を得るためには、高い機関回転数に対して十分
に速い動作速度で開閉弁動作させることが少なくとも必
要となる。この結果、通常スプリングの機械的特性は、
高い機関回転数に追従できる弁体の変位速度に見合うよ
うに選択されることとなる。

【０００５】ちなみに、上記カムタイプの内燃機関で
は、機関回転数の低下に伴ってカムシャフトの回転速度
も低下するため、低い機関回転数の領域では吸排気弁の
開閉弁動作も緩やかとなる。

【０００６】ところが、電磁駆動弁を搭載する内燃機関
にあって、上述のように高い機関回転数に適合するよう
設定された弁体の変位速度で機関回転数の全領域にわた
って吸排気弁の開閉弁動作を行うようにすると、カムタ
イプの内燃機関と比べて低い機関回転数の領域で排気脈
動に起因する騒音が際だってしまうこととなる。機関回
転数の低下に伴って排気脈動の周期は長くなるにも関わ
らず、排気弁の開弁動作がそのままであることから、カ
ムタイプの内燃機関との比較において、機関回転数が低
くなるほど排気の吐出速度（流速）が（カムタイプのも
のより）相対的に大きくなるためである。

【０００７】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、中低速の機関
回転数領域における排気音を好適に抑制することのでき
る電磁駆動弁を有する内燃機関を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電磁石の電磁力とスプリングの付勢力と
の協働によって、一方の変位端から他方の変位端にかけ
て弁体を往復させることにより開閉弁動作を行う電磁駆
動弁を、排気弁として同一気筒に複数有する内燃機関に
おいて、当該内燃機関の機関回転数に応じて、前記各排
気弁間における相対的な開弁タイミングを変更すること
を要旨とする。

【０００９】内燃機関にとって、排気弁動作に要求され
る機能は当該機関の機関回転数によって異なる。例え
ば、高速回転域では、機関出力軸の高速回転動作への追
従性や排気流出の迅速性が要求され、他方、中低速回転
域では、燃焼室から排出される排気の脈動を抑制すべく
緩やかに排気を流出させることが好ましい。その一方、
電磁駆動弁ではその機械的な特質上、弁体の変位速度、
すなわち開閉弁動作にかかる弁体の動作速度を基本的に
は一定に保持するの好ましい。

【００１０】同構成によれば、各排気弁間における相対
的な開閉弁タイミングを変更することにより、各弁体の
変位速度そのものを変更することなく、排気流出口の実
質的な開放速度を変化させることができるようになる。
例えば複数の排気弁を同時に開弁させる場合と、タイミ
ングをずらして順次開弁させる場合とを比較すると、後
者の方が、実質上、排気流出口を緩やかに開放すること
となる。

【００１１】また、当該内燃機関の機関回転数が低くな
る程、開弁タイミングの最も早い排気弁と、最も遅い排
気弁とのタイミング差を大きくするのがよい。中低速回
転域において、燃焼室から排出される排気は緩やかに流
出させる方が排気脈動を抑制する上で好適であることは
上述した通りである。

【００１２】同構成によれば、機関回転数が低くなる
程、実質上、排気流出口を緩やかに開放されることとな
り、排気脈動が好適に抑制される。よって、とくに低中
速回転域での機関運転にかかる静粛性が向上する。

【００１３】また、当該内燃機関の機関回転数が所定回
転数以下である場合に、前記各排気弁間における相対的
な開弁タイミングを異ならせることとしてもよい。同構
成によっても、比較的低い機関回転数の領域における排
気脈動が好適に抑制され、同領域での機関運転にかかる
静粛性が向上する。

【００１４】なお、以上の各構成は可能なかぎり組み合
わせることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を電磁駆動弁搭載の
内燃機関に適用した一実施の形態について図面を参照し
て説明する。

【００１６】図１は、本実施の形態にかかる電磁駆動弁
搭載の内燃機関を概略的に示す構成図である。同図１に
示す内燃機関１は、複数の気筒２１を備えるとともに、
吸入行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程の４行程サ
イクルを繰り返して機関出力を得るガソリンエンジンで
ある。

【００１７】内燃機関１は、複数の気筒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。

【００１８】シリンダブロック１ｂには、機関出力軸で
あ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。

【００１９】ピストン２２の上方には、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２
４が形成されている。シリンダヘッド１ａには、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に駆動電流を通電するためのイ
グナイタ２５ａが接続されている。

【００２０】シリンダヘッド１ａには、２つの吸気ポー
ト２６の開口端と２つの排気ポート２７の開口端とが燃
焼室２４に臨むよう形成されている。また、各吸気ポー
ト２６は、内燃機関１のシリンダヘッド１ａに取り付け
られた吸気枝管３３の各開口端と連通している。また、
シリンダヘッド１ａには、吸気ポート２６に噴孔を臨ま
せるように燃料噴射弁３２が取り付けられている。燃料
噴射弁３２は、加圧ポンプ（図示略）を介し燃料タンク
（図示略）から移送された燃料（ガソリン）を、吸気ポ
ート２６内（燃焼室２４方向）に噴射供給する。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３
４に接続されている。サージタンク３４には、吸気管３
５が接続され、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。

【００２１】吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる
新気の質量（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。吸気
管３５においてエアフローメータ４４より下流の部位に
は、同吸気管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。

【００２２】スロットル弁３９には、ステップモータ等
からなり印加電力の大きさに応じてスロットル弁３９を
開閉弁駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、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同アクセルペダル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４
３とが取り付けられている。

【００２３】一方、内燃機関１の各排気ポート２７は、
シリンダヘッド１ａに取り付けられた排気枝管４５の各
枝管と連通している。排気枝管４５は、排気浄化触媒４
６を介して排気管４７に接続され、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。

【００２４】排気枝管４５には、同排気枝管４５内を流
れる排気の空燃比、言い換えれば排気浄化触媒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。

【００２５】排気浄化触媒４６は、例えば、同排気浄化
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（Ｈ
Ｃ）、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、同排気浄化触媒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、若しくは上述した各種の触
媒を適宜組み合わせてなる触媒である。

【００２６】また、クランクシャフト２３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は、クランクシャフト２３の回転位相に応じた
電気信号を出力することで、クランク角や機関回転数Ｎ
Ｅを把握できるようにする。また、シリンダブロック１
ｂに取り付けられた水温センサ５２は、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
出する。

【００２７】一方、吸気ポート２６の各開口端は、シリ
ンダヘッド１ａに進退自在に支持された電磁駆動弁（吸
気弁）２８によって開閉されるようになっており、これ
ら吸気弁２８は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁
駆動弁機構（以下、吸気側電磁駆動弁機構と記す）３０
によって開閉弁駆動されるようになっている。

【００２８】また、排気ポート２７の各開口端はシリン
ダヘッド１ａに進退自在に支持された電磁駆動弁（排気
弁）２９により開閉されるようになっており、これら排
気弁２９は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁駆動
弁機構（以下、排気側電磁駆動弁機構と記す）３１によ
って開閉弁駆動されるようになっている。

【００２９】ここで、吸気側電磁駆動弁機構３０と排気
側電磁駆動弁機構３１の具体的な構成について詳述す
る。なお、吸気側電磁駆動弁機構３０と排気側電磁駆動
弁機構３１とは同様の構成であるため、排気側電磁駆動
弁機構３１のみを例に挙げて説明する。

【００３０】図２は、排気側電磁駆動弁機構３１の内部
構造を概略的に示す側断面図である。同図２に示すよう
に、排気側電磁駆動弁機構３１は、シリンダヘッド１ａ
の頂面から燃焼室２４（排気ポート２７）にかけて形成
された貫通孔内に、軸体と弁体とを一体として備えた排
気弁２９の軸体部分を組み込み、これを貫通孔に沿って
直線的に往復動作（変位動作）させることにより燃焼室
２４に臨む排気ポート２７の開口端を開閉する。

【００３１】先ず、シリンダヘッド１ａは、その頂面か
ら燃焼室２４に向かって上層部材（アッパヘッド）１
ａ'、中層部材（ミドルヘッド）１ａ''、及び下層部材
（ロアヘッド）１ａ'''が積層された構造を有する。頂
面から排気ポート２７にかけて形成される上記の貫通孔
は、これら各層を貫通する３つの孔が連通して形成され
ることとなっている。

【００３２】これら３つの孔のうち、アッパヘッド１
ａ'に形成された孔３００Ａには、同上層部材１ａ'の上
下面それぞれの側から第１コア（上段）３０１及び第２
コア（下段）３０２が組み込まれる。排気弁２９の軸体
（弁軸）２９ｂは、これら第１コア３０１及び第２コア
３０２によって取り囲まれた状態で支持され、その上端
部を第１コア３０１の上面に延出させる。また、第１コ
ア３０１及び第２コア３０２間に確保された間隙Ｇ１内
には、弁軸２９ｂに周設された弁駆動体（アーマチャ）
３０５が存在する。このアーマチャ３０５は、円板状の
軟磁性体からなる。さらに、第１コア３０１において間
隙Ｇ１に臨む部位には、第１の電磁コイル３０３が埋設
されており、第２コア３０２において同じくＧ２に臨む
部位には第２の電磁コイル３０４が埋設されている。

【００３３】アッパヘッド１ａ'の頂面には、下端部に
フランジを形成する円筒形状のアッパキャップ３１０
が、第１コイル３０１を覆うかたちで同フランジを介し
てボルト締着されている。アッパキャップ３１０の上端
部は、その内径と同等の外径を有する円柱形状の蓋材３
１０ａによって閉塞されている。蓋材３１０ａは、その
外周面をアッパキャップ３１０の内周面に螺合すること
によって取り付けられている。アッパキャップ３１０の
蓋材３１０ａ下面には、保持部材３１０ｂ及び同保持部
材に上端部を保持された第１スプリング３０６が組み込
まれている。第１スプリング３０６はその下端部を、弁
軸２９ｂの上端部に固定されたアッパリテーナ３１１に
当接させ、同アッパリテーナ３１１（弁軸２９ｂ）を燃
焼室２４方向に向かって付勢している。

【００３４】ミドルヘッド１ａ''を貫通する孔３００Ｂ
内では、排気弁２９の弁軸２９ｂがアッパヘッド１ａ'
側、及びロアヘッド１ａ'''側に延設される二本の軸体
として分離されている。機関運転中、熱膨張により弁軸
２９ｂが伸長することによって弁としてのシール性機能
を悪化させることが、この分離部位の存在によって防止
される。また、分離された両軸体が互いに対峙する部位
において、ロアヘッド側に延設される軸体の端部にはラ
ッシュアジャスタ２９ｃが設けられている。このラッシ
ュアジャスタ２９ｃは他方の軸体の端部に設けられたキ
ャップ２９ｄとともに、孔３００Ｂ内に確保された所定
空間Ｇ２に収容されることとなる。ラッシュアジャスタ
２９ｃは、排気弁２９が全閉状態（最小リフト量）とな
ったときにのみ油路Ｐ１を通じて供給されるオイルの油
圧の作用を介して、その内部に設けられたプランジャを
キャップ２９ｄに向かって押し出す機能を有する周知の
機構である。このラッシュアジャスタの働きにより両軸
体間のあそび（クリアランス）がなくなり両軸体が好適
に連動することとなる。

【００３５】ミドルヘッド１ａ''の孔３００Ｂの一部
（下部）は、これと連通するロアヘッド１ａ'''の孔３
００Ｃの一部（上部）と併せて、ラッシュアジャスタ２
９ｃよりも大きな内径を有する円柱形状のスプリング収
容空間Ｇ３を形成している。スプリング収容空間Ｇ３の
底面には、第２スプリング３０７が組み込まれている。
第２スプリング３０７はその上端部を、弁軸２９ｂに周
設固定されたロアリテーナ３１２に当接させ、同ロアリ
テーナ３１２（弁軸２９ｂ）をアッパキャップ３１０方
向に向かって付勢している。

【００３６】スプリング収容空間Ｇ３につづき、同収容
空間Ｇ３の内径より小さな内径を有する孔が、同収容空
間Ｇ３の底面から排気ポート２７まで貫通する。このス
プリング収容空間Ｇ３の底面から排気ポート２７まで貫
通する孔の内周には、筒状のバルブガイド２０１が固定
されている。この筒状のバルブガイド２０１は、弁軸２
９ｂのうち、およそスプリング収容空間Ｇ３の底面から
吸気ポート２６に亘る部分を軸方向に沿って進退自在に
支持する。

【００３７】弁軸２９ｂの下端（排気ポート側端部）に
固定された弁体２９ａは、燃焼室２４における排気ポー
ト２６の開口端に設けられた弁座２００に着座もしくは
離座することによって排気ポート２７の開閉を行う。

【００３８】なお、弁軸２９ｂの軸方向の長さは、アー
マチャ３０５が所定の間隙Ｇ１において第１コア３０１
と第２コア３０２との中間位置に保持されているとき、
すなわちアーマチャ３０５が中立状態にあるときに、弁
体２９ａが全開側変位端と全閉側変位端との中間の位置
（以下、中開位置と記す）に保持されるよう設定されて
いるものとする。

【００３９】このように構成された排気側電磁駆動弁機
構３１では、第１の電磁コイル３０３及び第２の電磁コ
イル３０４へ励磁電流（指示電流）が通電されていない
場合は、アーマチャ３０５が中立状態となり、それに伴
って弁体２９ａが中開位置に保持される。

【００４０】排気側電磁駆動弁機構３１の第１の電磁コ
イル３０３に励磁電流が通電されると、第１コア３０１
と第１の電磁コイル３０３とアーマチャ３０５との間に
は、アーマチャ３０５を第１コア３０１側へ変位させる
方向の電磁力が発生する。

【００４１】一方、排気側電磁駆動弁機構３１の第２の
電磁コイル３０４に指示電流が通電されると、第２コア
３０２と第２の電磁コイル３０４とアーマチャ３０５と
の間には、アーマチャ３０５を第２コア３０２側へ変位
させる方向の電磁力が発生する。

【００４２】すなわち排気側電磁駆動弁機構３１では、
第１の電磁コイル３０３と第２の電磁コイル３０４とに
交互に指示電流が通電されることにより、両電磁コイル
３０３，３０４の電磁力とスプリング３０６，３０７の
付勢力（バネ力）とが協働してアーマチャ３０５を進退
させる。もって弁体２９ａが開閉弁駆動されることにな
る。このとき、スプリング３０６，３０７のバネ力によ
ってアーマチャ３０５や弁体２９ａに固有振動が発生し
ているところに、電磁コイル３０３，３０４に対する指
示電流の通電タイミングや通電量の変更が加味されるこ
とにより、排気弁２９の開閉弁タイミング（バルブタイ
ミング）や開弁量を制御することが可能となる。

【００４３】なお、本実施の形態にかかる内燃機関１
は、各気筒２１上に排気側電磁駆動弁機構３１を２体ず
つ備える他、吸気弁２８を駆動して吸気ポート２６の開
口端を開閉すべく、これら排気側電磁駆動弁機構３１と
ほぼ同等の構造及び機能を有する吸気側電磁駆動弁機構
３０を同じく２体ずつ備えている。

【００４４】図３には、内燃機関１に備えられた各気筒
２１（燃焼室２４）に連通する吸気ポート２６及び排気
ポート２７それぞれの開口端の配置関係を概略的に示す
上視図である。ちなみに、内燃機関１に備えられた全て
の気筒２１について、吸気ポート２６及び排気ポート２
７それぞれの開口端の配置関係は略同一であるものとす
る。

【００４５】同図３に示すように、本実施の形態にかか
る内燃機関１では、気筒２１の頂面に向かって吸気ポー
ト２６の開口端と、排気ポート２７の開口端とが各々２
つずつ並列して配設される。また、吸気ポート２６の各
開口端と、排気ポート２７の各開口端との直上には、各
開口端に対応する吸気側電磁駆動弁機構３０（便宜上、
３０Ａ，３０Ｂとして区別する）、若しくは排気側電磁
駆動弁機構３１（同じく便宜上、３１Ａ，３１Ｂとして
区別する）が取り付けられる。

【００４６】以上のように構成された内燃機関１には、
同内燃機関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、以下ＥＣＵ
と記す）２０が併設されている（図１参照）。

【００４７】ＥＣＵ２０には、吸気側振動センサ３０
ａ、排気側振動センサ３１ａ、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。

【００４８】ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、吸気
側電磁駆動弁機構３０、排気側電磁駆動弁機構３１、燃
料噴射弁３２等が電気配線を介して接続されており、Ｅ
ＣＵ２０は、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、燃料噴射弁３２、吸気側電磁駆動
弁機構３０、排気側電磁駆動弁機構３１等を各種駆動回
路３０ｂ，３１ｂ等を介して駆動制御する。

【００４９】また、ＥＣＵ２０は、図４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ＣＰＵ４
０１とＲＯＭ４０２とＲＡＭ４０３とバックアップＲＡ
Ｍ４０４と外部入力回路４０５と外部出力回路４０６と
を備えた論理演算回路として構成されている。

【００５０】外部入力回路４０５は、吸気側振動センサ
３０ａ、排気側振動センサ３１ａ、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等各種センサの出力信号
をＣＰＵ４０１やＲＡＭ４０３へ送信する。

【００５１】外部出力回路４０６は、ＣＰＵ４０１から
出力される制御信号をイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３
２、吸気側電磁駆動弁機構３０、或いは排気側電磁駆動
弁機構３１の各種駆動回路３０ｂ，３１ｂ等へ送信す
る。

【００５２】ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号に関
するデータ、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ＮＥといったＣ
ＰＵ４０１の演算結果等を記憶する。ＲＡＭ４０３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５
１が信号を出力する度に最新のデータに書き換えられ
る。

【００５３】バックアップＲＡＭ４０４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
る。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、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３９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、周知の各種アプリケーションプログラム
や、制御マップ等を記憶している。

【００５４】また、ＲＯＭ４０２は、吸気弁２８を所望
の動作タイミングや動作速度をもって開閉弁駆動するた
めの（吸気弁）開弁量制御ルーチンや、排気弁２９をこ
れも所望の動作タイミングや動作速度をもって開閉弁駆
動するための（排気弁）開弁量制御ルーチンを記憶して
いる。上述した各電磁駆動弁機構３０，３１の開閉弁駆
動は、これら制御ルーチンに従ってＥＣＵ２０が出力す
る指令信号に基づいて行われる。

【００５５】ここで、ＥＣＵ２０が駆動回路３０ｂ、３
１ｂを介して行う各電磁駆動弁機構３０、３１の駆動制
御について、排気側電磁駆動弁機構３１を例にとって説
明する。

【００５６】図５（ａ）〜（ｃ）は、排気側電磁駆動弁
機構３１に取り付けられた排気弁２９が閉弁状態から開
弁状態に移行する際、そのリフト量（図５（ａ）)、第
２の電磁コイル３０４への通電される指示電流の電流値
（図５（ｂ））、及び第１の電磁コイル３０３（図５
（ｃ））へ通電される指示電流の電流値がどのように変
化するのか、それぞれの変化態様を同一時間軸上に示す
タイムチャートである。

【００５７】先ず、図５（ａ）に示すように、アーマチ
ャ３０５が第１の電磁コイル３０３に当接（着座）した
状態（最小リフト量）にある排気弁２９が、所定のタイ
ミングで遷移（変位）を開始する。そして或る程度まで
加速した後に所定の速度をもって上昇し、その後除々に
減速して開弁状態になったところ（最大リフト量）で停
止する。ちなみに、排気弁２９が閉弁位置（最小リフト
量）に達する際には、弁体２９ａが気筒２１内の弁座へ
到達（着座）するのとほぼ同時に、アーマチャ３０５が
第１の電磁コイル３０３へ到達（着座）する。

【００５８】次に図５（ｂ）に示すように、排気弁２９
を動作させるべく駆動回路３１ｂを介して第２の電磁コ
イル３０４に通電される指示電流の電流波形は、比較的
大きな電流値Ｉ１を所定時間継続し、一旦電流値Ｉ２ま
で下げ、次に比較的小さな電流値Ｉ３を所定時間継続し
て、その後さらに小さな電流値Ｉ４を保持するといった
ものとなる。

【００５９】一方、図５（ｃ）に示すように、第１の電
磁コイル３０３に通電する電流は、排気弁２９の開弁動
作が開始される直前まで所定の電流値Ｉ５に保持する。
この状態から同電流値Ｉ５を電流値Ｉ６まで降下させ、
逆方向へ電流を流すことで排弁２９の開弁動作が開始さ
れる。電流値Ｉ６は、その後さらに所定の電流値Ｉ７
（「０」値であるのが好適である）に切り替わる。

【００６０】すなわち、両電磁コイル３０３，３０４に
全く通電が行われていない状態でも、アーマチャ３０５
を中立状態に保持するスプリングの付勢力が働いてい
る。このため、排気弁２９を閉弁状態に保持するには、
所定値Ｉ５の電流（保持電流）が第１の電磁コイル３０
３に通電されている必要がある。この保持電流の通電が
中断されることで（時刻ｔ０）、スプリングの付勢力が
アーマチャ３０５を中立状態に復元させる力として作用
し、開弁動作が開始される。その後、時刻ｔ１において
第２の電磁コイル３０４に所定量Ｉ１の電流が通電され
ることで、開弁動作が加速される。その後、一旦電流値
を所定値Ｉ２まで降下させることによって排気弁２９は
減速し、弁体２９ａ及びアーマチャ３０５がなめらかに
着座する（時刻ｔｃ）。着座の直前及び直後には、電流
値Ｉ２よりもやや大きな電流値Ｉ３をもって通電が行わ
れる。その後は、アーマチャ３０５を中立状態に復元さ
せるスプリングの付勢力にうち勝つだけの吸引力を第２
の電磁コイル３０４に与える所定値Ｉ４の電流（保持電
流）の通電が次回の閉弁動作の開始まで持続されること
となる。

【００６１】閉弁動作に関しては、第１の電磁コイル３
０３への通電が上記閉弁動作における第２の電磁コイル
３０４への通電と同様の態様で実行される一方、第２の
電磁コイル３０４への通電が上記閉弁動作における第１
の電磁コイル３０３への通電と同様の態様で実行され
る。

【００６２】また、吸気側電磁機構３０への通電態様と
吸気弁２８の動作態様との関係も、上述した排気側電磁
機構３１に関するものと同様である。このため、ここで
の詳しい説明は割愛する。

【００６３】次に、上記排気弁２９の開閉弁動作に関
し、両電磁コイル３０３，３０４への通電量を制御すべ
くＥＣＵ２０によって行われる制御手順の概要につい
て、フローチャートを参照して説明する。

【００６４】図６には、第１の電磁コイル３０３及び第
２の電磁コイル３０４へ供給される指示電流について、
その電流量（電流値）、通電タイミング、及び通電時間
を含めた電流の波形を決定するための「開弁量制御ルー
チン」を示す。

【００６５】同ルーチンは、ＥＣＵ２０を通じて内燃機
関１の始動と同時にその実行が開始されるとともに、所
定時間毎に周期的に実行される。同ルーチンに処理が移
行すると、ＥＣＵ２０は先ず、ステップＳ１において、
排気弁２９に対する開弁要求、若しくは閉弁要求が生じ
ているか否かを判断する。そして、この判断が肯定であ
る場合には続くステップＳ２に移行し、否定である場合
には本ルーチンを一旦抜ける。

【００６６】ステップＳ２においては、機関回転数ＮＥ
に基づいて、現在の機関運転状態がどの機関回転数領域
にあるのかを特定する。本実施の形態では、機関回転数
ＮＥが予め設定された所定の機関回転数ＮＥ１を上回っ
ている場合には高速回転域、所定の機関回転数ＮＥ１以
下である場合には中低速回転域にあると認識するものと
する。またこの他、同ステップＳ２においてＥＣＵ２０
は、例えば機関負荷等運転状態を代表する他のパラメー
タの認識も行う。

【００６７】続くステップＳ３においては、上記ステッ
プＳ２で認識した機関回転数領域や、運転状態を代表す
る他のパラメータに基づいて、目標となる開弁タイミン
グ若しくは閉弁タイミングや弁体２９ａの変位速度を含
めた各排気弁２９の動作態様を設定する。

【００６８】ここで設定された各排気弁２９の動作態様
を実現すべく、後続のステップＳ４においては、駆動対
象となる各排気弁２９（作動弁）について指示電流の電
流波形を決定する。なお、ここでいう指示電流の電流波
形とは、先の図５において説明した電流値Ｉ０，Ｉ１，
Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６及びＩ７の大きさや通電
開始タイミング、さらに当該各電流値間の切り替えタイ
ミング等を意味する。

【００６９】そして、続くステップＳ５において、各排
気側電磁駆動弁機構３１に対し、決定された電流波形か
らなる指示電流を駆動回路３１ｂ（図４参照）を通じ供
給することとなる。

【００７０】上記処理手順に基づき、本ルーチンでは、
内燃機関１の各気筒２１上に設けられた個々の排気側電
磁駆動弁機構３１に排気弁２９の開閉弁動作を実行させ
る。なお、各吸気側電磁機構３０については、同一気筒
上の各機構３０によって駆動される吸気弁２８が、機関
回転数ＮＥに関わらず相互に同一のタイミングで開弁動
作を行うこととなる他は、上記「開弁量制御ルーチン」
と略同様の制御ロジックに従って駆動制御されることと
なる。

【００７１】ところで、上記各排気弁２９に関する「開
弁量制御ルーチン」において、ステップＳ３で排気弁２
９の開弁タイミングを設定するにあたり現在の運転状態
が高速回転域にある場合には、同一気筒２１上に設けら
れた排気側電磁駆動弁機構３１Ａ，３１Ｂ（図３参照）
は同一タイミングで開閉弁駆動する。一方、現在の運転
状態が低中速回転域にある場合には、同一気筒２１上に
設けられた排気側電磁駆動弁機構３１Ａ，３１Ｂを異な
るタイミングで開閉弁駆動することとなる。

【００７２】例えば図７は、現在の運転状態が低中速回
転域にあるとＥＣＵ２０が認識した場合、排気側電磁駆
動弁機構３１Ａ，３１Ｂによって駆動される各排気弁２
９がどのような変化態様で開閉弁動作を行うこととなる
のか、各々のリフト量推移を示すタイムチャートであ
る。なお、同図中、実線Ａは排気側電磁駆動弁機構３１
Ａに駆動される排気弁２９のリフト量推移を示し、一点
鎖線Ｂは排気側電磁駆動弁機構３１Ｂに駆動される排気
弁２９のリフト量推移を示す。また、制御対象となる各
電磁駆動弁機構３１（３１Ａ，３１Ｂ）が設けられた気
筒２１について、そのクランクシャフト２３の回転位相
が下死点及び上死点にあるタイミングを、それぞれＢＤ
Ｃ（下死点）及びＴＤＣ（上死点）として時間軸（横
軸）上に示す。

【００７３】同図７に示すように、各機構３１Ａ，３１
Ｂによって駆動される排気弁が、相互に異なるタイミン
グで開弁動作し、所定時間最大リフト量を維持した後、
今度は同一タイミングで閉弁動作を行うこととなってい
る。

【００７４】ちなみに、同一の条件下において、好適な
運転状態の維持に要求される排気流出の態様を、両機構
３１Ａ，３１Ｂが同一タイミングで排気弁を開弁動作す
ることで達成する場合には、両機構３１Ａ，３１Ｂの排
気弁は、共に破線で示されるリフト量推移を示すことと
なる。この場合、機関回転数ＮＥに見合った好適な運転
状態は確保されるものの、運転状態が中低速回転域にあ
るにも関わらず、高速回転域である場合と同等の態様
で、排気ポート２７の開口端が急速に開放されることと
なる。このため、燃焼室２４から吸気ポート２７への排
気の急激な吐出が生じ、中低速回転域でありながら排気
騒音が際だってしまう。さらに、中低速回転域特有の排
気脈動が、この開口端の急な開放によって一層助長され
てしまうこととなる。

【００７５】この点、本実施の形態によれば、各排気弁
２９の開弁タイミングを相互に異ならせることにより、
先ず、一方の排気弁２９の開弁動作を開始させ、その開
弁量がある程度まで達したところで他方の排気弁２９の
開弁動作を開始させるといった制御を行うこととなる。
そしてこのような制御態様により、実質上、排気ポート
２７の開口端を緩やかに開放することと同等の効果が得
られ、排気の急激な吐出が抑制される。

【００７６】従って、中低速回転域における排気脈動が
好適に抑制されて排気騒音の最小化が図られ、もって機
関運転にかかる静粛性が向上することとなる。また、こ
うした効果を得るために、電磁駆動弁の動作速度（弁体
の変位速度）を変更することもないため、スプリングの
バネ力によって生じる固有振動により弁体の基本動作が
決定づけられる電磁駆動弁にとっては、その制御にかか
る信頼性や制御構造の簡易性においても優位性がある。

【００７７】なお、本実施の形態では、上記「開弁量制
御ルーチン」（図６）において説明したように、機関回
転数ＮＥが予め設定された所定の機関回転数ＮＥ１以下
であれば現在の運転状態が中低速回転域にあるとＥＣＵ
２０が認識し、同一気筒上の２本の排気弁２９の開弁タ
イミングを異ならせる制御を実行することとした。これ
に対し、基準となる機関回転数ＮＥを複数設定する等し
て、両排気弁２９間の相対的な開弁タイミングを、現在
の機関回転数ＮＥに応じて複数段階、或いは無段階に変
更することとしてもよい。この場合、機関回転数ＮＥが
低くなるほど、両排気弁２９相互間における開弁タイミ
ングのタイミング差は、大きくなるように設定してお
く。また、単に機関回転数ＮＥのみによって、一義的に
両排気弁２９の相対的なタイミングを変更する旨や、そ
のタイミング差を決定するばかりでなく、機関負荷や冷
却水の温度等を加味することにより、現在の運転状態か
ら推定される排気脈動の振幅や周波数に応じて、各排気
弁２９の相対的なタイミングを制御することとしてもよ
い。

【００７８】また、本実施の形態にかかる内燃機関１の
ように、同一気筒上に吸気弁２８及び排気弁２９が２本
ずつ設けられたものに限らず、例えば３本以上の排気弁
を有する内燃機関に本発明を適用することもできる。こ
の場合、各弁の相対的な開弁タイミングを適宜制御すれ
ばよいが、少なくとも、開弁タイミングを最も早くする
排気弁と、開弁タイミングを最も遅くする排気弁とを決
め、両者間における開弁タイミングのタイミング差を機
関回転数ＮＥに応じて制御することとすれば、本実施の
形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することはで
きる。

【００７９】また、単気筒から構成されるか、複数気筒
から構成されるかに関わらず、また同じ複数気筒から構
成される内燃機関にしても、搭載気筒数に関わらず、同
一気筒上に少なくとも複数の電磁駆動弁を排気弁として
有する内燃機関であれば、上記排気弁に関する「開弁量
制御ルーチン」の制御ロジックを適用して本実施の形態
と同等若しくはこれに準ずる効果を得ることができる。
例えば排気弁のみを電磁駆動弁として備え、吸気弁をカ
ムシャフトの回転によって開閉弁駆動するものに本発明
を適用することもできる。

【００８０】また、本実施の形態で採用することとした
各電磁駆動弁機構３０，３１は、アーマチャの変位する
両変位端にそれぞれ電磁コイルを備えるとともに、これ
とは別途に、２本のスプリングがアーマチャを中立位置
に保持べく互いに対向する方向に向かって各リテーナ３
１１、３１２を付勢する構成を有している。これに対
し、アーマチャの変位方向に沿って、一方の側からのみ
スプリングが弁若しくは弁と連動する部材を付勢すると
ともに他方の側にはアーマチャの変位動作を規制する規
制部材を設け、さらに、スプリングの付勢力と対向する
方向のみに向かってアーマチャに吸引力が作用するよう
に電磁石を配設するよう各電磁駆動弁機構を構成しても
よい。

【００８１】また、本実施の形態にかかる電磁駆動弁機
構３１（３０）では、弁軸２９ｂを２本の軸体に分離
し、分離された両軸体間にラッシュアジャスタ機構を備
えることとした。これに対し、こうしたラッシュアジャ
スタ機構を設けることなく、単に弁軸を２つの軸体に分
離し、分離された両軸体の端部が適宜互いに当接するの
みの構成としてもよい。さらに、分離部位自体をとくに
設けることなく、弁軸を一本の軸体として形成してもよ
い。

【００８２】また、本実施の形態で採用することとした
内燃機関１は、吸気経路（吸気ポート）に燃料を噴射供
給するいわゆる４サイクルガソリンエンジンであるが、
各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３２を具備し
たエンジンや、ディーゼルエンジン、さらには、２サイ
クルエンジンといった他の内燃機関にも本発明を適用す
ることはできる。

【００８３】とくに、本実施の形態にかかる電磁駆動弁
機構３０，３１のように、高い精度をもって吸気弁や排
気弁の動作を制御することができる電磁駆動弁機構を搭
載した内燃機関１では、スロットル弁３９を設けずに、
吸気弁や排気弁の開閉弁操作のみをもって当該内燃機関
１を運転させるシステム構成（いわゆるスロットルレス
・システム）を適用することとしてもよい。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、各排気弁間における相
対的な開閉弁タイミングを変更することにより、各弁体
の変位速度そのものを変更することなく、排気流出口の
実質的な開放速度を変化させることができるようにな
る。

【００８５】また、機関回転数が低くなる程、実質上、
排気流出口を緩やかに開放されることとなり、排気脈動
が好適に抑制され、とくに低中速回転域での機関運転に
かかる静粛性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電磁駆動弁を有する内燃機関の
一実施の形態を示す概略構成図。

【図２】同実施の形態に採用される排気側電磁駆動弁機
構の内部構造を示す側断面図。

【図３】同実施の形態にかかる内燃機関の各気筒上にお
いて、吸気ポート及び排気ポートの配置関係を概略的に
示す上視図。

【図４】同実施の形態に採用されるＥＣＵの電気的構成
を示すブロック図。

【図５】排気弁が閉弁状態から開弁状態に移行する際の
リフト量、及び各電磁コイルに通電される指示電流の変
化態様を示すタイムチャート。

【図６】同実施の形態にかかる開弁量制御手順を示すフ
ローチャート。

【図７】低中速回転域における同一気筒上の各排気弁の
リフト量推移を示すタイムチャート。

【符号の説明】

１ 内燃機関 １ａ シリンダヘッド １ｂ シリンダブロック １ｃ 冷却水路 ２０ ＥＣＵ ２１ 気筒 ２３ クランクシャフト ２４ 燃焼室 ２５ 点火栓 ２５ａ イグナイタ ２６ 吸気ポート ２７ 排気ポート ２８ 吸気弁 ２９ 排気弁 ２９ａ 弁体 ２９ｂ 弁軸 ２９ｃ ラッシュアジャスタ ２９ｄ キャップ ３０ 吸気側電磁駆動弁機構 ３０ｂ 駆動回路 ３１ 排気側電磁駆動弁機構 ３１ｂ 駆動回路 ３２ 燃料噴射弁 ３３ 吸気枝管 ３４ サージタンク ３５ 吸気管 ３９ スロットル弁 ４０ スロットル用アクチュエータ ４１ スロットルポジションセンサ ４２ アクセルペダル ４３ アクセルポジションセンサ ４４ エアフローメータ ４５ 排気枝管 ４６ 排気浄化触媒 ４７ 排気管 ４８ 空燃比センサ ５１ａ タイミングロータ ５１ｂ 電磁ピックアップ ５２ 水温センサ ２００ 弁座 ２０１ バルブガイド ３０１ 第１コア ３０２ 第２コア ３０３ 第１の電磁コイル ３０４ 第２の電磁コイル ３０５ アーマチャ ３０６ 第１スプリング ３０７ 第２スプリング ３１１ アッパリテーナ ３１２ ロアリテーナ ４００ 双方向性バス ４０１ ＣＰＵ ４０２ ＲＯＭ ４０３ ＲＡＭ ４０４ バックアップＲＡＭ ４０５ 外部入力回路 ４０６ 外部出力回路

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 AA05 BA38 CA12 DA34 EA02 EA03 FA07 GA32 3G092 AA01 AA05 AA11 DA01 DA02 DA07 DA14 DG02 DG09 EA03 EA04 EA09 FA14 GA05 HA01Z HA06Z HA13X HE01Z HE03Z HE08Z HF08Z

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁石の電磁力とスプリングの付勢力と
   の協働によって、一方の変位端から他方の変位端にかけ
   て弁体を往復させることにより開閉弁動作を行う電磁駆
   動弁を、排気弁として同一気筒に複数有する内燃機関に
   おいて、 当該内燃機関の機関回転数に応じて、前記各排気弁間に
   おける相対的な開弁タイミングを変更することを特徴と
   する電磁駆動弁を有する内燃機関。
2. 【請求項２】 当該内燃機関の機関回転数が低くなる
   程、開弁タイミングの最も早い排気弁と、最も遅い排気
   弁とのタイミング差を大きくすることを特徴とする請求
   項１記載の電磁駆動弁を有する内燃機関。
3. 【請求項３】 当該内燃機関の機関回転数が所定回転数
   以下である場合に、前記各排気弁間における相対的な開
   弁タイミングを異ならせることを特徴とする請求項１又
   は２記載の電磁駆動弁を有する内燃機関。