JP2005226583A - 内燃機関の動弁制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域において、燃焼の安定性と排気性能の向上との両立を実現することができる技術を提供する。
【解決手段】 吸気弁７Ａ，７Ｂの開閉時期を制御する内燃機関の動弁制御方法において、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域の場合、吸気弁７Ａ，７Ｂをベースバルブタイミングよりも遅く開き、更に当該吸気弁７Ａ，７Ｂを閉じる段階で、当該吸気弁７Ａ，７Ｂのうち１つの吸気弁７Ａを他の吸気弁７Ｂよりも早く閉じる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関の動弁制御方法に関する。

従来の内燃機関において、機関の低速時には、２つの吸気弁の開弁時期を異ならせると共に閉弁時期を略一致させ、高速時には２つの吸気弁の開弁時期を一致させることにより、出力トルクを向上させると共に低速時のスワール強化と高速時のノッキング防止を図って機関の燃焼安定性及び耐久性の向上を図った技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１３３２１２号公報 特開平７−４２１９号公報 特開２００２−３４９３７０号公報 特開２０００−３２８９６８号公報 国際公開第９７／１３０６３号パンフレット 特開平１０−２６０２６号公報 特開平９−２５６８９１号公報 特開平１０−２８８０５６号公報

しかしながら、従来技術の場合、機関の低速時において、スワールを強化することにより燃焼の安定化を図ることはできるが、スワールの強化に伴って筒内が冷やされてしまうことが懸念される。筒内の温度低下は、排気性能の悪化を招くこととなる。

本発明は、上記したような事情に鑑みてなされたものであり、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域において、燃焼の安定性と排気性能の向上との両立を実現することができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域の場合、複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開き、更に当該複数の吸気弁を閉じる段階で、当該複数の吸気弁のうち少なくとも１つの吸気弁を他の吸気弁よりも早く閉じるように、１気筒当たり複数設けられた吸気弁の開閉時期を制御することを特徴とするものである。

本発明においては、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域の場合に、複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開くことにより、負圧を発生させるもので、内燃機関の筒内の負圧が大きくなることによって、筒内に吸入される吸気の流速が増大するため、筒内に吸入される吸気を暖めることができる。したがって、筒内の温度をより高めることができので、排気性能の向上、及び、燃焼の安定性の向上を図ることができる。

さらに、複数の吸気弁を閉じる段階で、複数の吸気弁のうち少なくとも１つの吸気弁を他の吸気弁よりも早く閉じることにより、スワールの生成を強化することができる。スワール強化により、燃料と吸気とをより良好に混合することができるので、スモークの発生を抑制することができ、燃焼の安定性を向上することができる。

ここで、スワール強化により筒内の温度が低下してしまうおそれがあるが、複数の吸気
弁を基準作動時よりも遅く開くことによって、筒内に吸入される吸気が暖められているため、スワール強化による筒内の温度低下を抑制することができる。したがって、スワール強化による排気性能の悪化を抑制することができる。

また、内燃機関において、機関の排気系から吸気系に排気の一部を還流させる排気還流通路が設けられている場合には、燃焼の安定性が向上することによって、排気還流通路を通って吸気系に還流させる排気の量を増量させることができるので、以て窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を抑制することが可能となる。

また、上記の構成において、複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開く場合には、当該吸気弁と同じ気筒に設けられ当該吸気弁が遅く開く直前に閉じる排気弁の閉弁時期を基準作動時よりも早く閉じるように制御することも好ましい。

複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開く場合には、負圧が発生することとなるが、この場合に、排気弁の閉弁時期を基準作動時よりも早く閉じることによって、負圧の発生を抑制し、負圧の発生により生ずる損失（ポンピングロス）を低減することができる。また、排気弁の閉弁時期を基準作動時よりも早く閉じることによって、高温の燃焼ガスが筒内に残留することとなるので、筒内の温度をより高めることができ、排気性能の向上、及び、燃焼の安定性の向上を図ることができる。

本発明によれば、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域において、燃焼の安定性と排気性能の向上との両立を実現することができる技術を提供することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関１としてディーゼルエンジンを説明するための概略断面図である。図２は、内燃機関１において吸排気弁やピストンの周辺を斜め上方から見た概略斜視図である。

内燃機関１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得るディーゼルエンジンである。内燃機関１は、その内部に気筒２を形成する。気筒２（燃焼室２Ａ）で発生する燃料の燃焼力は、ピストン３及びコンロッド４を介してクランクシャフト（図示略）の回転力に変換される。

また、気筒２には、吸気通路５の最下流部をなす吸気ポート５Ａと、排気通路６の最上流部をなす排気ポート６Ａとが設けられている。吸気ポート５Ａと気筒２との境界は吸気弁７によって開閉される。また、排気ポート６Ａと気筒２との境界は排気弁８によって開閉される。本実施例において、吸気弁７及び排気弁８は、図２に示すように、１つの気筒２に対してそれぞれ２つずつ（吸気弁７Ａ，７Ｂ、排気弁８Ａ，８Ｂ）設けられているが、これに限らず、吸気弁が１つの気筒当たり複数設けられていればよい。

また、内燃機関１は、燃料噴射弁９を備えている。燃料噴射弁９は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧された軽油を、気筒２に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。

また、内燃機関１には、各気筒２に対応して設けられた吸気弁７，排気弁８の開閉動作タイミングをそれぞれ可変制御するバルブタイミング可変機構１０，１１が搭載されている。バルブタイミング可変機構１０，１１はそれぞれ吸気弁７，排気弁８の作用角及び位相を自由に変更できる可変機構であると好ましいものである。バルブタイミング可変機構１０，１１は、例えば、電磁駆動式動弁機構であってもよい。

内燃機関１では、このようなバルブタイミング可変機構１０，１１の機能を通じ、吸気弁７，排気弁８の開閉弁動作タイミング（クランクシャフトに対する相対的な動作タイミング）が適宜変更されることになる。なお、ここでは、排気弁８の開閉動作タイミングを可変制御するバルブタイミング可変機構１１についても説明したが、本実施例はバルブタイミング可変機構１１が設けられていない内燃機関であっても好適に適用することができる。

また、内燃機関１には、吸気通路５と排気通路６とを連通する排気還流通路（以下、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路という）２０が形成されている。このＥＧＲ通路２０は、排気の一部を適宜吸気通路５に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路２０には、同通路２０内を流れるガス（以下、ＥＧＲガスという）の流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁（開閉弁）２１が設けられている。ＥＧＲ弁２１は、無段階に開閉される電子制御弁である。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０が併設されている。このＥＣＵ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及びバックアップＲＡＭ等からなる論理演算回路を備え、各種センサの信号に基づいて、例えば、内燃機関１の運転状態を検出し、内燃機関１の各種構成要素を統括制御する。

ＥＣＵ３０には、内燃機関１の運転状態に関する情報を提供する各種のセンサやスイッチが電気配線を介して接続され、各種センサの出力信号がＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

また、ＥＣＵ３０は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、機関負荷の演算、燃料噴射量の演算、燃料噴射時期の演算などを実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ３０が入力した各種信号やＥＣＵ３０が演算して得られた各種制御値は、該ＥＣＵ３０のＲＡＭに一時的に記憶される。

更に、ＥＣＵ３０は、各種のセンサやスイッチからの信号の入力、一定時間の経過、或いはクランクポジションセンサ（図示略）からのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理において、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それら制御値に従って燃料噴射制御やＥＧＲ制御を実行し、そして、定期的に以下に述べるようなバルブタイミング可変機構１０，１１の駆動制御（以下、バルブタイミング制御という）を実行する。

ここで、ＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ弁２１を操作して、ＥＧＲ通路２０を通過するＥＧＲガスの流量、言い換えれば排気通路６から吸気通路５に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。目標となるＥＧＲ弁２１の開弁量（以下、目標開弁量）は、基本的には内燃機関１の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定される。ＥＣＵ３０は、この目標開弁量を内燃機関１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、ＥＧＲ弁２１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に合致するようＥＧＲ弁２１の駆動回路に指令信号を出力する。

次に、本実施例のバルブタイミング制御について説明する。

図３は、内燃機関１において、機関回転数と機関負荷とに基づいて決定される機関運転状態を表す図である。

本実施例においては、機関運転状態を図３に示すような４つの領域Ａ〜Ｄに分けている。ここで、領域Ａは機関運転状態が低回転・無〜低負荷域にあることを示しており、領域Ｂは機関運転状態が低回転・低〜中負荷域にあることを示しており、領域Ｃは機関運転状態が中回転・無〜中負荷域にあることを示しており、領域Ｄは機関運転状態が中〜高回転・無〜高負荷域にあることを示している。図３に示すような機関回転数と機関負荷と機関運転状態との関係は、予め実験等により導き出してマップ化しておきＲＯＭに記憶させておくとよい。

図４は、バルブタイミング可変機構１０，１１による吸気弁７及び排気弁８のリフト動作を示す図である。図４（Ａ）は、吸気弁７Ａ及び排気弁８Ａのリフト動作を示し、同図（Ｂ）は、吸気弁７Ｂ及び排気弁８Ｂのリフト動作を示している。図４において、吸気行程に２点鎖線で示すリフト動作は、ベースバルブタイミングを示すものである。ここで、ベースバルブタイミングとは、内燃機関の出力が最高出力となるようなバルブタイミングであって、基準作動時のバルブタイミングということもできる。ベースバルブタイミングは、内燃機関の仕様に応じて適宜設定されるものである。図４において、排気弁８Ａ，８Ｂはベースバルブタイミングに設定されている。なお、図４において、横軸はクランク角度を示しており、ＢＤＣは内燃機関１のピストン下死点を示し、ＴＤＣはピストン上死点を示しており、縦軸はバルブリフト量を示している。

本実施例のバルブタイミング制御の特徴としては、機関運転状態が図３に示す領域Ａ，Ｂにある場合、すなわち、低〜中回転、かつ、無〜中負荷域にある場合において、図４に示すように、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂをベースバルブタイミングよりも遅開き（開弁時期を遅角）させ、さらに閉じる段階では、一方の吸気弁７Ａを他方の吸気弁７Ｂよりも早閉じ（閉弁時期を進角）させている。

吸気弁７Ａ，７Ｂの遅開き時のクランク角度は、ベースバルブタイミングにおける開弁時（図４に示すｇ）から５〜８０°ＣＡ（図４に示すａ（吸気弁７Ａ），ｂ（吸気弁７Ｂ）、ここで、ａ＝ｂであると好ましい）遅れたクランク角度であると好ましい。また、吸気弁７Ａの早閉じ時のクランク角度は、ベースバルブタイミングにおける閉弁時（図４に示すｈ）より５〜８０°ＣＡ（図４に示すｃ）早いクランク角度であると好ましい。また、吸気弁７Ａを早閉じすることに伴って、吸気弁７Ａのリフト量（図４に示すｄ）は小さくなってもよい。しかしながら、吸気弁７Ａのリフト量ｄが０（ｍｍ）となった場合には、吸入空気量が減少してしまい排気性能の悪化を招くおそれがあるため、吸気弁７Ａのリフト量ｄは排気性能の悪化を招くことのない範囲で適宜設定されるとよい。

次に、本実施例において、機関運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域において実行されるバルブタイミング制御による作用効果について説明する。

まず、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂをベースバルブタイミングよりも遅開きさせることにより、気筒２内の負圧を大きくしている。気筒２内の負圧が大きくなることにより、気筒２内に吸入される吸気の流速が増大して、吸気に大きな運動エネルギが与えられ、この吸気の運動エネルギは、圧縮行程において熱エネルギに変換されるため、気筒２内に吸入される吸気が暖められることとなる。これにより、気筒２内の熱エネルギも増加し、以て圧縮上死点近傍における気筒２内の雰囲気温度、いわゆる圧縮端温度も高められることになる。したがって、スモークの発生を抑制することができ、排気性能を向上することができる
。また、燃焼の安定性を向上することもでき、燃料消費率を向上することもできる。

ここで、吸気弁７Ａ，７Ｂの遅開き時のクランク角度をより大きくすることにより、負圧をより大きくすることができるので、気筒２内に吸入される吸気をより暖めることができるが、負圧が大きくなった場合、ポンピングロスが大きくなってしまうので燃料消費率の悪化を招くこととなってしまう。吸気弁７Ａ，７Ｂの遅開き時のクランク角度は、燃料消費率の悪化を招くことのない範囲で適宜設定されるとよい。

そして、遅開きした吸気弁７Ａ，７Ｂが閉じる段階では、吸気弁７Ａを吸気弁７Ｂよりも早閉じすることにより、スワールの生成が強化されるので、筒内に吸入される吸気の流速が増大することとなる。

これにより、気筒２内において燃料と吸気とをより良好に混合することができるようになるので、従来では不完全燃焼となってしまっていた燃料のうち、より良好に燃焼させることができる燃料を増やすことができる。したがって、スモークの発生を抑制して、気筒２内の燃焼状態をより安定させることができ、さらには燃料消費率を向上させることができる。

さらに、スワール強化により内燃機関１の燃焼状態が改善されると、ＥＧＲ通路２０を通って気筒２内に供給されるＥＧＲガスの量を増量することができる。気筒２内に供給されるＥＧＲガスの量が多くなり過ぎるとスモーク発生の要因となってしてしまうため、気筒２内に供給されるＥＧＲガスの量は、機関運転状態、特に、気筒２内の燃焼状態に応じて適宜決定されるものであるが、本実施例では内燃機関１の燃焼状態が改善されることにより、排気性能の悪化を招くことなく、より多くのＥＧＲガスを気筒２内に供給することができるものである。そして、気筒２内に供給されるＥＧＲガスが増量することにより、気筒２内の混合気の燃焼温度が低められ、以てＮＯｘの発生量を抑制することが可能となる。

ここで、スワールの生成が強化されると、気筒２内の温度が低下してしまうおそれがあるが、本実施例においては、上述したように、吸気弁７の開弁時において気筒２内に吸入される吸気が暖められ気筒２内の熱エネルギも増加して、圧縮端温度も高められているので、スワールによる気筒２内の温度低下を抑制することができる。気筒２内の温度低下を抑制することにより排気性能の悪化を抑制できるので、すなわち、スワール強化に起因する排気性能の悪化を抑制することが可能となる。

なお、本実施例において、吸気弁７Ｂの閉弁時期は、図４（Ｂ）に示すようにベースバルブタイミングと同様としているが、吸入空気量を増量させる必要がある場合には、これに限るものではない。吸入空気量を増量させたいような場合には、ベースバルブタイミングよりも遅らせて閉弁させてもよく、例えば、ベースバルブタイミングにおける閉弁時（図４に示すｈ）より５〜８０°ＣＡ遅れたクランク角度とするとよい。

また、本実施例においては、内燃機関としてディーゼルエンジンについて説明したが、ガソリンエンジンであっても好適に適用することができるものである。

以下に、本発明の実施例２について説明する。なお、本実施例においては、上述した実施例１と異なる部分、すなわち、ＥＣＵ３０によるバルブタイミング制御の他の実施形態について説明するものであり、実施例１と同様の構成部分については説明を省略する。

上述した実施例１においては、機関運転状態が図３に示す領域Ａ，Ｂにある場合、すな
わち、低〜中回転、かつ、無〜中負荷域にある場合において、図４に示すように、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂをベースバルブタイミングよりも遅開きさせ、さらに閉じる段階では、吸気弁７Ａを吸気弁７Ｂよりも早閉じさせるものであったが、本実施例においては、これに加えてさらに、排気弁８Ａ，８Ｂを早閉じ（閉弁時期を進角）させるものである。

図５は、本実施例において、バルブタイミング可変機構１０，１１による吸気弁７及び排気弁８のリフト動作を示す図である。図５（Ａ）は、吸気弁７Ａ及び排気弁８Ａのリフト動作を示し、同図（Ｂ）は、吸気弁７Ｂ及び排気弁８Ｂのリフト動作を示している。図５において、２点鎖線で示すリフト動作は、実施例１で説明した図４同様、ベースバルブタイミングを示すものである。図５において横軸と縦軸との関係は図４と同様である。

排気弁８Ａ，８Ｂを早閉じする場合において、排気弁８Ａ，８Ｂの早閉じ時のクランク角度は、ベースバルブタイミングにおける閉弁時（図５に示すｉ）から５〜８０°ＣＡ（図５に示すｅ（排気弁８Ａ），ｆ（排気弁８Ｂ）、ここで、ｅ＝ｆであると好ましい）早いクランク角度であると好ましい。また、排気弁８Ａ，８Ｂの早閉じ時のクランク角度と、吸気弁７Ａ，７Ｂの遅開き時のクランク角度との間には、ａ＝ｅ，ｂ＝ｆの関係が成立していると好ましい。

本実施例においては、排気弁８Ａ，８Ｂを早閉じすることにより、気筒２内に高温の燃焼ガスを残留させることができるので、気筒２内の温度低下を抑制することができる。したがって、排気性能を向上することができ、燃焼の安定性を向上することができ、また、燃料消費率を向上することもできる。

また、気筒２内に燃焼ガスが残留した状態で排気弁８Ａ，８Ｂが早閉じした後に、吸気弁７Ａ，７Ｂが遅開けする場合には、気筒２内に燃焼ガスが残留していることにより、上述した実施例１で説明したような負圧の発生が抑制されることとなる。例えば、ピストン３において、排気弁の閉弁時の位置（気筒２内が密閉状態となった位置）と、吸気弁の開弁時の位置（気筒２が開放状態となった位置）とが同じであれば、ピストン３は排気弁の閉弁後、密閉状態で燃焼ガスを圧縮しながら上死点に到達し、その後、圧縮した燃焼ガスに押し戻されながら吸気弁の開弁時の位置まで移動するため、負圧が発生することはない。したがって、負圧が発生することによるポンピングロスを低減することができるので、燃料消費率をより向上させることができる。

また、吸気弁７Ａを吸気弁７Ｂよりも早閉じすることにより、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例においては、負圧の発生が抑制されるため、上述した実施例１のように、負圧の発生によって気筒２内に吸入される吸気が暖められることはないが、燃焼ガスを気筒２内に残留させて気筒２内の温度低下を抑制しているので、スワールによる気筒２内の温度低下を抑制することができる。本実施例においても、実施例１同様、スワール強化に起因する排気性能の悪化を抑制することが可能となる。

本発明の実施例に係る内燃機関を示す概略構成図。 本発明の実施例に係る内燃機関の要部を示す概略斜視図。 本発明の実施例において、機関回転数と機関負荷とに基づいて決定される機関運転状態を表す図。 本発明の実施例１において、バルブタイミング可変機構によるリフト動作を示す図。 本発明の実施例２において、バルブタイミング可変機構によるリフト動作を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
２Ａ 燃焼室
３ ピストン
４ コンロッド
５ 吸気通路
５Ａ 吸気ポート
６ 排気通路
６Ａ 排気ポート
７（７Ａ，７Ｂ） 吸気弁
８（８Ａ，８Ｂ） 排気弁
９ 燃料噴射弁
１０，１１ バルブタイミング可変機構
２０ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
３０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. １気筒当たり複数設けられた吸気弁の開閉時期を制御する内燃機関の動弁制御方法において、
   内燃機関の運転状態が低〜中回転、かつ、無〜中負荷域の場合、前記複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開き、更に当該複数の吸気弁を閉じる段階で、当該複数の吸気弁のうち少なくとも１つの吸気弁を他の吸気弁よりも早く閉じることを特徴とする内燃機関の動弁制御方法。
2. 前記複数の吸気弁を基準作動時よりも遅く開く場合には、当該吸気弁と同じ気筒に設けられ当該吸気弁が遅く開く直前に閉じる排気弁の閉弁時期を基準作動時よりも早く閉じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の動弁制御方法。

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