JP2006291962A - 内燃エンジンの間接可変バルブ駆動 - Google Patents

内燃エンジンの間接可変バルブ駆動

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Abstract

【課題】シリンダチャージの際の吸入ガス圧パルスを効率的に使用または改善させる。
【解決手段】レシプロピストンタイプの内燃エンジンが、エンジンシリンダ１０、吸気ポート２２，２４、吸気ガスが前記吸気ポートを通って前記シリンダに流入する流路を提供する吸気ランナ、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブ２６、及び、前記吸気ランナの中で前記吸気バルブの上流であって該吸気バルブと直列に位置する第１フラップ６８とを備える。前記第１フラップは、エンジンサイクル中にて変動する第１の配設状態と第２の配設状態とを備える。前記第１の状態では前記吸気ランナ流路が開かれて吸気ガスが吸気ポートを通ってシリンダへ流入することが可能になり、前記第２の状態では、少なくとも部分的に前記吸気ランナ流路が閉じられることで吸気ポートを通ってシリンダから流出する／シリンダへ流入する吸気ガスの流れが制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に内燃エンジンの可変吸気制御システムに関する。より詳細には、シリンダチャージの際の吸入ガス圧パルスを効率的に使用または改善させるためにサイクル毎の空気流の制御及び圧縮性流体の共振技術を利用する吸気システムに関する。
エンジン吸気バルブ及び排気バルブを制御するために、カムレス可変バルブ駆動システムが開発されている。固定カムシャフトによるエンジンバルブの駆動では得ることができないチャージプロセスでの可変性を提供するため、当該システムでは従来の機械的なカムシャフトを用いた技術ではなく、電気油圧システム及び電磁技術を用いている。しかし、これらカムレス可変バルブ駆動システムは高価で複雑である。
レシプロピストンタイプの内燃エンジンにおいて吸気ガスの供給を改善させるため、種々の技術が用いられている。例えば米国特許第４５１３６９９号には、吸入ストロークが顕著には重ならないエンジンシリンダの組についての吸気ガス共振システムが記載されている。このシステムは、シリンダの吸気開口と連通する吸振器を備える。このシステムはさらに共振器と連通する共振管を有する。この共振管は、共振器のハウジングで終端を持つ長さを有し、前記共振器のハウジングに向かって拡大する断面積を持つ。前記共振器のハウジングに接続する前記共振管の前記終端の断面積は、少なくとも該共振管の最小断面積よりも１．２倍である。共振器のハウジングに接続する共振管の終端と、対向位置する共振器のハウジングの内表面との距離は、共振管の前記終端の断面積と等しい断面積を持つ円の直径よりも大きい。
エンジン吸気ガスチャージ制御を改善するため、一つまたは二つのカムローブが設けられたカムシャフトにより吸気及び排気バルブが制御される、簡易で低コストな技術が望まれている。前記カムシャフトは、エンジン作動マップのいかなる位置でも必要とされる最長のバルブ開時間を作り出すように設計されていることが好ましい。このようなカムタイミングの特徴は、最適化された高速度、高出力エンジン運転に最も適しており、固定カムタイミングにより得ることができる。しかしながら、上記の様な長い開時間は、エンジン運転の他のモード、すなわち、低速度低負荷では不利になる。このため、作動マップのすべての箇所で最適なパフォーマンスを生み出す可変制御を提供するために追加の制御が必要となる。
さらに、従来技術の構成要素及び簡易な電気制御手法を用いた内燃エンジンに対する排気ガス再循環（ＥＧＲ、Exhaust Gas Recirculation）を向上させることが望まれている。さらに、エンジン吸気または排気バルブを持たない２ストローク内燃エンジンが、各エンジンサイクルの間、排気ランナから燃焼シリンダへのエンジン排気ガスの逆流を防止するために制御されることが望まれている。
故に、エンジンのバルブトレインシステムに対して広範囲な改良を必要としない、安価な要素を使用した、無過給エンジンのエア処理能力を向上させる手段を提供することが望まれている。
（発明の概要）
本発明に係るエンジンシステムは、最大負荷および部分負荷パフォーマンスの両方において、エンジンサイクル−バルブタイミングの組み合わせの多くを可能とする、簡易で低コストな間接可変バルブ駆動の利点を提供する。本エンジンは、他のエンジン誘導システムに相当する基準において、燃料消費を低減し、体積効率を向上させ、エンジン排気を向上させる。このシステムは、最適に設計されたエンジンバルブによって流れが可能になっているときに、シリンダに対する流出入を制御できるように従来のエンジンバルブに対して直列に設置されたフラップを備える。これにより、可変バルブ駆動装置はエンジン燃焼温度及び圧力を封じて持ちこたえるという困難な課題から解放されるが、依然エンジンマネジメントシステムによってエンジン流量の制御を行なうことができる。
エンジン吸気フラップは、同様の機能を実現するカムレス及び可変バルブ駆動システムと比較した場合、比較的容易な制御ロジックを用いて低システムコストで容易に制御される。ターボチャージャ付きエンジンのパルスチャージの適用に関しては、本システムは既知の共振ガスシステムと比較してポンプロスを低減するためと、エンジンエアチャージパフォーマンスをさらに向上させるために用いることができる。
本発明によれば、レシプロピストンタイプの内燃エンジンは、エンジンシリンダを有し、該エンジンシリンダは、吸気ポートと、吸気ガスが前記吸気ポートを経て前記シリンダに流入する流路を提供する吸気ランナと、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、前記吸気ランナの中であって前記吸気バルブの上流に位置して設けられた第１のフラップとを備え、該第１のフラップは、前記吸気バルブと直列に配設されているとともに、各エンジンサイクル中にて変動する、第１及び第２の配設状態を有する。第１の状態では吸気ランナ流路が開かれて吸気ガスの吸気ポートへの流入を可能にする。第２の状態では、少なくとも部分的に吸気ランナ流路が閉じられることでエアの流れが制御され吸気ガスが吸気ポートを通過する効果的なタイミングが変化する。同様の操作を、オーバーラップの間、二重ローブカムシャフトを用いる場合の第２イベント時の間、及び／または、排気ストロークの間、排気流の制御にも適用することが可能である。
ターボチャージャ付きエンジンでは、エンジンエアチャージを改善するために、フラップと組み合わせて吸気共振を用いることが可能である。すなわち、シリンダ中の吸気エア圧力パルスをトラップしてこれらがシリンダから共振器に逆流しないように、フラップとエンジン吸気バルブとを協調操作する。このようなエンジンシステムは、第１及び第２吸気ポート、吸気ガスが前記各シリンダの前記第１吸気ポートに流入するための流路を提供する第１吸気ランナ、及び、吸気ガスが前記各シリンダの前記第２吸気ポートに流入するための流路を提供する第２吸気ランナを持つ複数のエンジンシリンダを有する。各シリンダは、前記各シリンダの第１吸気ポートを開閉する第１吸気バルブと、各シリンダの第２吸気ポートを開閉する第２吸気バルブとを備える。第１吸気ランナの中で変動サイクル振幅を持つ吸気ガスの第１圧力パルスを生み出すために、吸気ガスが存在する空間が、各シリンダの第１アウトレット及び第１吸気ランナと接続する第１共振器と連通している。また、前記空間は、第２吸気ランナの中で変動サイクル振幅を持つ吸気ガスの第２圧力パルス（第１サイクル圧力パルスとは位相がずれている）を生み出すため、前記第２アウトレットと接続する第２共振器と、各シリンダの第２吸気ランナとに連通している。第１吸気ランナ中であって、各第１吸気バルブの上流であって該第１吸気バルブと直列に位置するフラップは、各エンジンサイクル中にて変動する、第１及び第２配設状態を有する。第１の状態では第１吸気ランナ流路が開かれて前記吸気ポートを通じて前記圧力パルスにより前記シリンダへの流入を可能にする。第２の状態では、少なくとも部分的に第１吸気ランナ流路を閉じることで吸気ポートを通過して吸気ガスが前記シリンダから吐出することを制限または防止する。
（発明の説明）
図１に各シリンダが二つの吸気ポートと二つの排気ポートとを持つエンジンを示したが、本発明は一つのシリンダに対して一つの吸気ポートと一つの排気ポートとが設けられたエンジンに対して適用してもよい。例えば、図９，図１０，及び図１１には、一つの吸気ポートと一つの排気ポートとを備えたエンジンに対して本発明が適用されたものが示されている。また、図２は、一つのシリンダに対して一つの吸気ポートと一つの排気ポートとが設けられた後述するエンジンに対して適用された本発明の他の例である。
図１には、内燃エンジンのシリンダ１０，１２が示されている。各シリンダは、クランクシャフトに連結されたレシプロピストン（不図示）を有する。各シリンダは二つの吸気ポートと二つのアウトレットポートとを備える。例えば、シリンダ１０は、各々吸気バルブ２６，２８により開閉される吸気ポート２２，２４と、排気バルブ３４，３６により各々開閉される二つのアウトレットポート３０，３２とを備える。各シリンダ内で従来の吸気、圧縮、出力、および排気ストロークを作り出すカムシャフトにより、吸気バルブ２６，２８及び排気バルブ３４，３６が駆動される。同様に、シリンダ１２は吸気バルブ４２，４４により各々開閉される吸気ポート３８，４０と、排気バルブ５０，５２により各々開閉されるアウトレットポート４６，４８とを備える。
吸気流路内の中で各シリンダの少なくとも一つの吸気バルブに対して直列に吸気フラップまたはバタフライバルブが位置しており、該吸気フラップまたはバタフライバルブは、前記吸気流路の軸と交差する方向の軸周りに回転可能に支持されている。例えば、吸気フラップ６８が、吸気バルブ２６と直列に配設され、吸気フラップ７０が吸気バルブ４２と直列に配設され、吸気フラップ７４が吸気バルブ２８と直列に配設され、吸気フラップ７６が吸気バルブ４４と直列に配設されている。
各排気ポート３０，３２，４６，４８は車両の排気システムと連通している。排気フラップ５８が排気バルブ３４と直列に配設され、排気フラップ５９が排気バルブ３６と直列に配設され、排気フラップ７８が排気バルブ５０と直列に配設され、排気フラップ７９が排気バルブ５２と直列に配設されている。
運転時には、各エンジンシリンダ１０，１２用のカムシャフトによる制御を受けてエンジン吸気バルブ２６，２８，４２，４４が従来の方法により作動される。すなわち、吸気ストロークの開始時に前記エンジン吸気バルブ２６，２８，４２，４４が開かれ、圧縮ストロークの開始時に閉じられ、膨張ストロークの間は閉じた状態に保たれ、排気ストロークの開始時に開かれる。前記各シリンダのサイクルは他のシリンダサイクルの位相とずれた状態にあり、各フラップが正しいタイミングで各シリンダを開閉するように吸気フラップ６８，７０，７４，７６が制御される。シリンダ１０，１２の各エンジンサイクルの間、吸気フラップ６８，７０，７４，７６が対応する吸気流路と交互に開閉するように制御される。吸気流路と吸気ポートを経て吸気ガスがシリンダから共振器９０へ逆流しないように、各フラップはその後、対応するシリンダの吸気バルブが閉じる前に閉じる。各シリンダの吸気バルブが閉じると、チャージが圧縮・着火されてシリンダ内で膨張する。各シリンダの排気ストロークの間、排気ポート３０，３２，４６，４８を通じてエンジン排気ガスがシリンダから排出される。
図２に、代表的なフラップ、すなわち４ストロークスパーク着火ガソリンエンジンの吸気フラップ６８、排気フラップ５８の制御に関するシステム１２０を示したが、本システムは４ストローク及び２ストロークガソリン／ディーゼルエンジンのフラップ制御に用いてもよい。図示のシステムは、レシプロピストン１２２がエンジンクランクシャフト１２４を駆動するシリンダ１０に対して操作可能に適用されている。フラップ５８，６８はアクチュエータ１２６，１２７により開閉される。これらアクチュエータ１２６，１２７の配設・機能状態は、対応するアクチュエータドライバが、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１３０により生成された出力信号としてのアクチュエータ信号１２８，１２９に応答することにより、変化する。適切なアクチュエータドライバは、トルクモータ、ステップモータ、回転振動子、油圧モータ、または他の同様の装置から選択可能である。ＥＣＵは電子メモリにアクセス可能なＣＰＵを持つマイクロプロセッサなどの電子制御装置であることが好ましい。
システム１２０は、燃料供給用サブシステムを備える。燃料供給用サブシステムは、燃料タンク１３４中に位置する低圧燃料ポンプ１３２を有する。低圧燃料ポンプ１３２は、燃料フィルタ１３６を通して燃料を高圧燃料ポンプ１３８の入口に搬送する。燃料はポンプ１３８の出口側からポンプ軌道１４０を通じて燃料噴射装置１４２〜１４５に運ばれる。各燃料噴射装置１４２〜１４５は、各シリンダ１０，１２，１４に噴射される燃料の量を計測する。燃料噴射装置駆動ユニット１４６は車両オペレータの要求及び他の変数に応じた時間系列で、噴射装置を交互に駆動する。燃料噴射装置駆動ユニット１４６は、ＥＣＵ１３０の出力信号として生成された電気制御信号１５０に応答し、各噴射装置に対して燃料噴射装置駆動信号１４８を生成する。燃料は、ポンプ軌道１４０から燃料ライン１５２を通じてポンプ１３８の入口側に戻される。
ＥＣＵには、センサによって生成された抽出入力データが連続的に与えられる。該センサは、種々のシステムパラメータの強度を表した電気信号を生成する。圧力センサ１５４はポンプ軌道１４０中の圧力の大きさを示す信号１５６を生成する。センサ１５８はポンプ１３２からの燃料流量を表す信号１６０を生成する。センサ１６２は、返還ライン１５２中の燃料流量を表す信号１６４を生成する。センサ１６６はクランクシャフト１２４の速度とクランク角度位置を表す信号１６８を生成する。センサ１７０は、エンジン負荷の指標となる吸気マニホールド圧力または質量空気流量を表す信号１７２を生成する。センサ１７４は、シリンダ温度を表す信号１７６を生成する。センサ１７８はスロットル角を表す信号１８０を生成する。
制御アルゴリズムはこれらの入力データおよび制御アルゴリズムに基づき、アクチュエータドライブに対する出力制御信号１２８を生成する。アクチュエータドライブはエンジンイベントに対してリアルタイムにフラップ６８の運動を同期させるものである。制御アルゴリズムは、エンジン速度、エンジン負荷計測量（空気流またはマニホールド圧力）、エンジン温度、スロットル角、及び、他の入力を用い、エンジンを校正することにより定義された多次元ルックアップテーブルから現在の運転状況に応じた適切なフラップ位置及びフラップタイミングを決定する。ＥＣＵ１３０により実行されるエンジン制御アルゴリズムに基づき、制御信号１２８がルックアップテーブルによって決定された目標フラップ位置についての出力として生成され、エンジンが着火を必要とするときに着火信号が適切なタイミングで着火プラグ１８４またはグロープラグに与えられる。しかしながら、本発明のフラップ制御はディーゼルエンジンまたは圧縮着火が起こる他のエンジンタイプに対しても適用可能である。
図３〜図７は、膨張、排気、吸気及び圧縮ストロークにおいて、速度、負荷、およびＥＧＲ要求を種々に異ならせた場合のフラップ動作を左から右へ各々示したものである。図３は、エンジンが最大負荷、高速度でフラップ６８が連続的に開かれる状態の排気バルブ３４の変位２００、及び吸気バルブ２６の変位２０２を示したものである。
図４は、エンジンが最大負荷に満たず、図３に示したよりも低速度の状態の排気バルブ３４及び吸気バルブ２６の変位２００，２０２であり、吸気フラップ６８がラム効果、効果的な圧縮比及び逆流管理のために駆動されている状態である。吸気フラップ６８が符号２０４で閉じ始め、完全に閉じ、吸気バルブが符号２０６で閉じるまで閉じた状態に維持される。その後フラップ６８が開けられる。エンジン速度が遅い場合は、吸気フラップ６８は上記よりも早く符号２０６にて閉じ始める。エンジン速度が速い場合は、上記よりも遅く符号２０８にてフラップが閉じ始める。
図５は、エンジンが最大負荷に満たない場合及び部分負荷の場合におけるフラップ６８，５８の開閉と、排気バルブ３４と吸気バルブ２６の各開変位および閉変位２００，２０２とが示されている。フラップ５８，６８は、ポンプ機能と内部ＥＧＲ誘導を含む最適化されたエンジンパフォーマンスの位相効果を有する。排気フラップ５８は、クランク角レンジ２１０の間、排気バルブ３４が開きつつある間に開く。排気フラップ５８は、クランク角レンジ２１０の間、排気バルブ３４が開きつつある間に開き、フラップ５８はクランク角レンジ２１２の間、排気バルブ３４が閉じつつある間に閉じる。吸気フラップ６８はクランク角レンジ２１４の間、吸気バルブ２６が開きつつある間に開き、吸気フラップ６８はクランク角レンジ２１６の間、吸気バルブ２６が閉じつつある間に閉じる。吸気フラップ６８は符号２０４で閉じ始め、完全に閉じ、吸気バルブが符号２０６で閉じるまで閉じた状態を維持する。
図６に、エンジンサイクル全体の間吸気バルブを二回開閉するための二重ローブカムと、内部ＥＧＲとを備えたエンジンにおける吸気フラップ６８の開閉変位を、排気バルブ３４の変位２００に重ねて示した。吸気フラップ６８はクランクレンジ２１８の間に閉じられ、クランク角度２２０（約２００度）で開く。フラップ６８は残留誘導が多いときにはより早く開き、残留誘導が少ないときにはより遅く開く。図１３に吸気バルブ２６，２８を駆動する二重ローブカムを示した。必要であれば、排気バルブ３４，３６を駆動するために同様のカムを用いてもよい。
図８及び図９に、従来のカムを備え、各々３０００及び７０００ｒｐｍで運転されるエンジンの吸気マニホールド８４中の圧力パルスを示した。図では、吸気マニホールド８４中の共振圧力パルス２２０，２２２が示されている。吸気バルブ２６が開いている間、吸気フラップ６８を閉じるように吸気アクチュエータ１２６が制御され、これにより、高圧パルス２２４，２２５，２２６，２２７がシリンダ１０中に取り込まれている状態となっている。クランク角期間２２８，２３０の間、吸気バルブ２６が開いた状態となる。ここで、ＩＯ及びＩＣは各々吸気開、吸気閉を示す。圧力パルスの取り込みにより、各エンジンサイクルにおいて対応するシリンダ１０内に吸気エアがより確実に最大限充填される。
掃気についても同様に、排気アクチュエータ１２７を制御する制御システムが排気バルブ３４が開いている間に排気フラップ５８を閉じることにより、負圧パルスがシリンダ１０内に取り込まれる。このように排気フラップ５８を閉じることにより、排気ガスが排気システムから排気マニホールド及びシリンダに流れ込むことが防止される。
エンジン速度に基づいて制御されるバルブイベントは、音響上のものであって音速とともに変動する圧力パルスに対し、相対的に移動する。制御システムは、エンジン速度範囲の全体に渡り、相対的に固定された音響上の従属変数と、エンジン速度に依存するバルブイベントの齟齬のため、フラップ６８，５８の開閉を変動させる。
各フラップは各エンジンサイクルにおいて同期して駆動され、対応するエンジンバルブが開いている間、各フラップは開いた状態となっている。各吸気及び排気の主目的は、対応するエンジン吸気及び排気バルブが各マニホールドに対して開となる実効時間を選択的に短くすることにある。各フラップはバルブを通過する流れの開始を遅らせ、またはバルブを通過する流れの期間を短くすることができる。エンジンの運転ポイントが、カムが最適化されたポイントに近づくと、フラップがより長い時間開くようになる。カムが最適化された運転ポイントでは、フラップは単に開いた状態に維持され、カムシャフトに制御が移される。固定カムは開時間を最大、すなわち閉時間を最小とすべく最適化されるようにすることができる。
図９，図１０，及び図１１に、一つの吸気ポートと一つの排気ポートとを備えたエンジンを示した。図１に示したものより、一般的な発明の適用例である。
図９には、内燃エンジン２３８の吸排気システムが記載されている。内燃エンジン２３８中には、吸気ガスランナ２４２中に位置する吸気フラップ２４０がエンジン吸気バルブ２４４と直列に配設されている。同様に、排気ガスランナ２４８中に位置する排気フラップ２４６がエンジン排気バルブ２５０と直列に配設されている。これらバルブ及びフラップは、レシプロピストン２５４を有するエンジンシリンダ２５２の上方に位置している。
従来の４エンジンストロークを生み出すカムシャフトにより、吸排気バルブの動きが制御される。カムシャフトは、最適化された高速、高出力エンジン運転に最も適するように、開時間が最大となるように設計されていることが好ましい。カムタイミングは固定されている。しかしながら、フラップ２４０及び２４６は各エンジンサイクルの間、バルブ２４４，２５０の運転に合わせて開閉制御される。例えば、吸気フラップ２４０は、少なくとも吸気バルブが開の期間の一部において開状態とされ、吸気ガスが吸気ランナ２４２を通ってシリンダ２５２に導入されることを可能にする。しかしながら、ガス吸気持続時間を短くするため、吸気バルブ２４４が開いている間の一部期間はフラップ２４０は閉じられる。同様に、排気フラップ２４６は、少なくとも排気バルブ２５０が開の期間の一部において開状態とされ、排気吸気ガスがランナ２４８を通ってシリンダ２５２から吐出することを可能にする。しかしながら、排気持続時間を短くするため、バルブ２５０が開いている間の一部期間はフラップ２４６は閉じられる。
また、フラップは、図１０にアッセンブリとして示した内燃エンジンの排気ガス再循環（ＥＧＲ）を向上させる為に用いることが可能である。図１０では吸気ガスランナ２６２中に位置する吸気フラップ２６０が吸気バルブ２６４と直列に配設されている。同様に、排気ガスランナ２６８中に位置する排気フラップ２６６はエンジン吸気バルブ２７０と直列に配設されている。ＥＧＲ源２７２はエンジン吸気ポート２７４に対し、ポート２７４の上流であってフラップ２６０の下流の位置に連通している。
吸気フラップ２６０はエンジン吸気ストローク中に閉じ、吸気ポート２７４と閉じているフラップ２６０との間のランナ２６２中に低圧を生成する。フラップ２６０が閉じておりバルブ２６４が開いている吸気ストロークの間、ランナ２６２中の低圧のためにＥＧＲ源２７２からエンジンへのＥＧＲ流量が増加する。さらに、エンジンに対するＥＧＲ流を変調させるために吸気フラップ２６０の変位が変動するように制御されてもよい。
図１１に示したような、エンジン吸気及び排気バルブを持たない２ストローク内燃エンジン２７８においては、吸気ガスが吸気ランナ２８８を通じてエンジンへ流入する際、エンジン排気ガスが排気ランナ２８２からシリンダ２５２へ逆流することを防ぐべく、各エンジンサイクルの間排気フラップ２８０が制御されてもよい。エンジンは、排気ポート２８４と吸気ポート２８６とを有し、排気ポート２８４を通じて排気ガスがシリンダから流出してランナ２８２に流入し、吸気ポート２８６を通じて吸気ガスが吸気ランナ２８８からシリンダ２５２に流入する。図１２に示したエンジン配置では、シリンダ内に取り込まれた新鮮な空気の全量が増加される。
図１２には、三つのシリンダ３１０，３１２，３１４を左側バンクに備え、三つのシリンダ３１６，３１８，３２０を右側バンクに備えた４サイクル、６サイクルの内燃エンジンが示されている。各シリンダはレシプロピストンを備え、これら各ピストンはクランクシャフトに連結されている。シリンダ３１０〜３２０は従来の着火順序、例えば３１０−３１８−３１４−３２０−３１２−３１６を有していてもよい。
各シリンダは二つの吸気ポート及び二つのアウトレットポートを備える。例えば、シリンダ３１０は、各々吸気バルブ３２６，３２８により開閉される吸気ポート３２２，３２４と、各々排気バルブ３３４，３３６により開閉される排気ポート３３０，３３２とを備える。各シリンダで従来の吸気、圧縮、出力、及び排気ストロークを生み出すカムシャフトは吸気バルブ３２６，３２８及び排気バルブ３３４，３３６を駆動する。シリンダ３１２は各々吸気バルブ３４２，３４４により開閉される吸気ポート３３８，３４０と、各々排気バルブ３５０，３５２により開閉される二つのアウトレットポート３４６，３４８とを備える。同様に、シリンダ３１４は、各々吸気バルブ３５８，３６０により開閉される吸気ポート３５４，３５６と、各々排気バルブ３６６，３６８により開閉される二つのアウトレットポート３６２，３６４とを備える。
吸気流路の中で各シリンダの少なくとも一つの吸気バルブと直列に位置する吸気フラップまたはバタフライバルブが、吸気流路の軸と交差する方向の軸周りに旋回するように支持されている。例えば、吸気フラップ３６８が、吸気バルブ３２６と直列に配設され、吸気フラップ３７０が吸気バルブ３４２と直列に配設され、吸気フラップ３７２が吸気バルブ３５８と直列に配設されている。同様に、吸気フラップ３７４が、吸気バルブ３２８と直列に配設されていてもよく、吸気フラップ３７６が吸気バルブ３４４と直列に配設されていてもよく、吸気フラップ３７８が吸気バルブ３６０と直列に配設されていてもよい。
各排気ポート３３０，３３２，３４６，３４８，３６２及び３６４は車両の排気システムと連通している。排気ポートを吐出する排気ガスにより駆動されるターボチャージャ３８０がエンジンに流入する大気を圧縮するために用いられてもよい。また、ターボチャージャ３８２から吸気マニホールド３８２に供給されたエアがマニホールド３８２およびシリンダに流入する前に冷却されることが好ましい。
シリンダに吸気ガスをチャージする処理を向上させるため、吸気ポートは吸気ガス共振システムと組み合わせられる。右側及び左側シリンダバンクが共振システムに組み合わせられる。シリンダ３１０，３１２，３１４の吸気ポート３２２，３３８，３５４が吸気流路３８４，３８６，３８８により共振器３９０に対して組み合わせられる。シリンダ３１０，３１２，３１４の吸気ポート３２４，３４４，３５６が吸気流路３９８，４００，４０２により共振器４０４に対して組み合わせられる。共振器３９０および４０４は好ましくはヘルムホルツ共振器であることが好ましい。
共振チューブ４０６及び４０８は共振器３９０及び４０４の共通平衡空間４１０に連結する。共通平衡空間４１０には吸気マニホールド３８２を通して吸気エアが供給される。共振チューブ４０８は共振器４０４を平衡空間４１０に連結する。
シリンダのサイクル吸引圧は吸気ガス共振システムに流れ込む吸気ガスに振動を引き起こし、吸気システムに圧力パルスを生み出す。吸気流路３８４，３８６，３８８により吸気ポート３２２，３３８，３５４に組み合わせられた共振器３９０は、吸気ポート３２２，３３８，３５４にて、最大及び最小圧力強度の間で周期的に変動する変動圧力を生成するように調整されている。吸引パイプ３９８，４００，４０２により吸気ポート３２４，３４０，３５６に対して組み合わせられている共振器４０４は、吸気ポート３２４，３４０，３５６で圧力プロファイルを生むように調整されている。
運転時には、各エンジンシリンダ３１０，３１２，３１４用のカムシャフトの制御を受けてエンジン吸気バルブ３２６，３２８，３４２，３４４，３５４，３６０が従来のように動作する。すなわち、吸気ストロークの開始時に開かれ、圧縮ストロークの開始時に閉じられ、膨張ストロークの間は閉じた状態に保たれ、排気ストロークの開始時に開かれる。各フラップが適当なタイミングで各シリンダ（そのサイクルは他のシリンダのサイクルに対して位相がずれている）を開閉するようにフラップ３６８，３７０，３７２が制御される。対応する吸気バルブが開いている間、共振器３９０からの圧力パルスが各シリンダに到達してシリンダに流入するように、フラップ３６８，３７０，３７２が開く。吸気流路３８４，３８６，３８８中に位置するフラップ３６８，３７０，３７２は、各エンジンシリンダ３１０，３１２，３１４の各エンジンサイクルの間、対応する吸気流路を交互に開閉すべく制御される。吸気流路と吸気ポートを経て吸気ガスがシリンダから共振器３９０へ逆流しないように、各フラップはその後、対応するシリンダの吸気バルブが閉じる前に閉じる。各シリンダの吸気バルブが閉じると、チャージが圧縮、着火され、シリンダ内で膨張する。各シリンダの排気ストロークの間、排気ポート３３０，３３２，３４６，３４８，３６２，３６４を通じてエンジン排気ガスがシリンダから排出される。
図１３にはカム駆動システム４１６の模式図が示されている。カム駆動システム４１６は、二重ローブカム４２０を有するカムシャフト４１８を備え、カムシャフトは軸４２２周りに回転するように支持され、カムは吸気ローブ４２４とＥＧＲローブ４２６とが形成されてなる。カム４２０が回転すると、エンジンブロック４３２の中に形成された整列シリンダの中で追従ピストン４２８及び上部ピストン４３０が往復運動する。上部ピストン４３０は、吸気バルブ２６に対して駆動可能に連結されたプッシュロッド４４４を駆動する。吸気バルブ２６は、カム４２０の軸４２２周りの位置に応じてカムシャフト４１８の一回転ごとに吸気ポート２２を二度開閉する。従来の方法により、エンジンシャフトはカムシャフトを駆動する。
以上、特許法の規定に従い、好適な実施形態を表すと考えられるものにより本発明を説明した。しかしながら、本発明は、発明の意図及び範囲を逸脱することなく、ここで開示説明した例以外にも適用することができることに留意すべきである。
本発明を適用可能な内燃エンジンの吸排気ガスシステムの模式図である。 吸気及び排気フラップを備えた内燃エンジン制御システムの模式図である。 エンジン速度、負荷及びＥＧＲ要求の範囲に渡り、クランク角度に対するエンジンバルブのリフト量の変化を示した図である。 エンジン速度、負荷及びＥＧＲ要求の範囲に渡り、クランク角度に対するエンジンバルブのリフト量の変化を示した図である。 エンジン速度、負荷及びＥＧＲ要求の範囲に渡り、クランク角度に対するエンジンバルブのリフト量の変化を示した図である。 エンジン速度、負荷及びＥＧＲ要求の範囲に渡り、クランク角度に対するエンジンバルブのリフト量の変化を示した図である。 エンジンを低速度及び高速度で作動させた場合のエンジンの吸気マニホールド中の圧力変化を各々示したグラフである。 エンジンを低速度及び高速度で作動させた場合のエンジンの吸気マニホールド中の圧力変化を各々示したグラフである。 内燃エンジンの吸排気ガスシステムの他の実施形態について示した模式図である。 本発明が適用されたＥＧＲ源を備えた内燃エンジン用吸気ガスシステムの模式図である。 本発明が適用された２ストローク内燃エンジン用吸排気ガスシステムを示した模式図である。 パルスチャージされた燃焼エンジン用の吸排気ガスシステムを示した模式図である。 二重ローブカムを備えたカム駆動システムの模式図である。

Claims (22)

  1. 吸気ポートを備えたエンジンシリンダと、
    吸気ガスが前記吸気ポートを通って前記シリンダに流入するための流路を提供する吸気マニホールドと、
    前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
    前記吸気マニホールドの中であって前記吸気バルブの上流に位置して設けられた第１のフラップとを備え、
    該第１のフラップは、前記吸気バルブと直列に配設されているとともに、各エンジンサイクル中にて変動する、第１及び第２の配設状態を有し、前記第１の状態では前記流路が開かれて吸気ガスの吸気ポートへの流入が可能になり、前記第２の状態では、少なくとも部分的に前記流路が閉じられることで吸気ポートを通過する吸気ガスの流量が制限され、前記第１及び第２の配設状態が各エンジンサイクル中で変動する、
    エンジンサイクルにより作動する内燃エンジン。
  2. 排気ポートと、
    排気ガスが前記排気ポートを通って前記シリンダから吐出するための流路を提供する排気マニホールドと、
    前記排気ポートを開閉する排気バルブと、
    前記排気マニホールドの中であって前記排気吸気バルブの下流に位置して設けられた第２のフラップとをさらに備え、
    該第２のフラップは、前記排気バルブと直列に配設されているとともに、各エンジンサイクル中にて変動する、第３及び第４の配設状態を有し、前記第３の状態では前記排気ランナ流路が開かれて排気ガスの排気ポートからの吐出が可能になり、前記第４の状態では、少なくとも部分的に前記排気ランナ流路が閉じられることで排気ガスの排気ポートからの流出が制限され、前記第３及び第４の配設状態が各エンジンサイクル中で変動する、
    請求項１に記載のエンジン。
  3. 吸気ランナに対して前記第１フラップと前記吸気ポートとの間で連通するＥＧＲ源をさらに備え、
    前記第１配設状態ではさらに前記吸気ランナ流路が開かれて吸気ガス及びＥＧＲガスが前記吸気ポートに流入することが可能になり、前記第２の状態では、少なくとも部分的に前記吸気ランナ流路が閉じられることで、前記吸気ポートを通過する吸気ガスの流量が制限されて前記吸気ポートを通過するＥＧＲガスの流量が増加される、
    請求項１に記載のエンジン。
  4. 吸気ランナに対して前記第１フラップと前記吸気ポートとの間で連通するＥＧＲ源と、
    排気ポートと、
    排気ガスが前記排気ポートを通じて前記シリンダから吐出するための流路を提供する排気ランナと、
    前記排気ポートを開閉する排気バルブと、
    前記排気ランナの中であって前記排気吸気バルブの下流に位置して設けられた第２のフラップとをさらに備え、
    該第２のフラップは、前記排気バルブと直列に配設されているとともに、各エンジンサイクル中にて変動する、第３及び第４の配設状態を有し、前記第３の状態では前記排気ランナ流路が開かれて排気ガスの排気ポートからの吐出が可能になり、前記第４の状態では、少なくとも部分的に前記排気ランナ流路が閉じられることで前記排気ポートを通過する排気ガスの流量が制限され、前記第３及び第４の配設状態が各エンジンサイクル中で変動する、
    請求項１に記載のエンジン。
  5. エンジンサイクル中において前記吸気バルブを二回開閉するカムが形成されたカムシャフトをさらに備えた請求項１に記載のエンジン。
  6. エンジンサイクル中において前記排気バルブを二回開閉するカムが形成されたカムシャフトをさらに備えた請求項２に記載のエンジン。
  7. 第１及び第２吸気ポートを備えた複数のエンジンシリンダと、
    吸気ガスが前記各シリンダの第１吸気ポートに流入するための流路を提供する第１吸気ランナと、
    吸気ガスが前記各シリンダの第２吸気ポートに流入するための流路を提供する第２吸気ランナと、
    前記各シリンダの前記第１吸気ポートを開閉する第１吸気バルブと、
    前記各シリンダの前記第２吸気ポートを開閉する第２吸気バルブと、
    吸気ガスが流入する入口と、吸気ガスが吐出する第１及び第２アウトレットとを備えた空間と、
    前記各シリンダの前記第１アウトレットと前記第１吸気ランナとに連通するとともに、前記第１吸気ランナ中で変動周期振幅を持つ吸気ガスの第１圧力パルスを生み出す第１共振器と、
    前記各シリンダの前記第２アウトレットと前記第２吸気ランナとに連通するとともに、前記第２吸気ランナ中で前記第１周期圧力パルスと異なる位相の変動周期振幅を持つ吸気ガスの第２圧力パルスを生み出す第２共振器と、
    それぞれ前記第１吸気ランナの中であって前記第１吸気バルブの上流かつ該第１吸気バルブと直列に位置して設けられた第１のフラップとを備え、
    該第１のフラップは、各エンジンサイクル中にて変動する、第１及び第２の配設状態を有し、前記第１の状態では、前記第１吸気ランナ流路が開かれて第１圧力パルスの振幅が所定の強さとなったときに前記第１圧力パルスの前記各第１吸気ポートへの流入が可能になり、前記第２の状態では、少なくとも部分的に前記第１吸気ランナ流路が閉じられることで前記各第１吸気ポートを通過して前記各シリンダから吐出する吸気ガスの流量が制限され、前記第１及び第２の配設状態が各エンジンサイクル中で同期して変動する、
    エンジンサイクルにより作動する内燃エンジン。
  8. 前記第１の状態は、前記第１吸気バルブが開くとき及び同第１吸気バルブが閉じるときに生ずる、請求項７に記載のエンジン。
  9. 前記各第２吸気ランナの中であって前記各第２吸気バルブの上流かつ該第２吸気バルブと直列に位置して設けられた第２のフラップをさらに備え、
    該第２のフラップは、各エンジンサイクル中にて変動する、第３及び第４の配設状態を有し、前記第３の状態では、前記各第２吸気ランナ流路が開かれて第２圧力パルスの振幅が所定の強さとなったときに前記第２圧力パルスの前記各第２吸気ポートへの流入が可能になり、前記第４の状態では、少なくとも部分的に前記第２吸気ランナ流路が閉じられて前記各第２吸気ポートを通過して前記各シリンダから流出する吸気ガスの流量を制限し、前記第３及び第４の配設状態が各エンジンサイクル中で同期して変動する、
    請求項７に記載のエンジン。
  10. 前記第３の状態は、前記第２第１吸気バルブが開くとき及び同第２吸気バルブが閉じるときに生ずる、請求項７に記載のエンジン。
  11. 前記第２の状態では、前記各第１吸気ランナ流路が閉じられることで吸気ガスが前記各第１吸気ポートを通って前記各シリンダから吐出されることが防止される、請求項７に記載のエンジン。
  12. 前記第４の状態では、前記各第２吸気ランナ流路が閉じられることで前記各シリンダから前記各第２吸気ポートを通って吐出される吸気ガスの流量が制限される、請求項９に記載のエンジン。
  13. 前記各シリンダに設けられ、排気ガスが前記各シリンダから吐出する第１及び第２排気ポートと、
    排気ガスが前記各シリンダから前記各第１排気ポートを通って吐出するための流路を提供する第１排気ランナと、
    排気ガスが前記各シリンダから前記各第２排気ポートを通って吐出するための流路を提供する第２排気ランナと、
    をさらに備えた、
    請求項７に記載のエンジン。
  14. 吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンシリンダと、
    吸気ガスが前記シリンダに対して前記吸気ポートを通って流入する流路を提供する吸気ランナと、
    排気ガスが前記シリンダから前記排気ポートを通って吐出する流路を提供する排気ランナと、
    前記吸気ランナと前記排気ランナの一方の中に位置するフラップとを備え、該フラップは、各エンジンサイクル中にて変動する、第１及び第２の配設状態を有し、前記第１の状態では前記各ランナ流路が開かれ、前記第２の状態では、少なくとも部分的に前記各ランナ流路が閉じられ、前記第１及び第２の配設状態が各エンジンサイクル中で同期して変動する、
    エンジンサイクルにより作動する内燃エンジン。
  15. 前記エンジンは２ストロークエンジンである、請求項１４に記載のエンジン。
  16. 前記エンジンは２ストロークエンジンであり、前記フラップは前記排気ランナ流路の中に排気ポートと直列に配設されている、請求項１４に記載のエンジン。
  17. シリンダ、吸気エアの供給源と連通する吸気ポート、及び、前記シリンダと前記吸気ポートとの連通を開閉するエンジン吸気バルブを備えたエンジンサイクルにより作動する内燃エンジンと、
    前記エンジン吸気バルブに対して直列かつ該エンジン吸気バルブよりも上流に操作可能に配設されたフラップと、
    作動パラメータを表す信号を生成するセンサと、
    前記センサに対して操作可能に接続され、作動パラメータを参照することにより、エンジンサイクル中において以後に前記吸気バルブが開くポイント及び閉じるポイントを決定し、前記エア源からの圧力パルスがシリンダ中で維持されるように、現在のエンジンサイクル中において前記エンジン吸気バルブが開く前に前記フラップを開き、前記の決定に応じて前記エンジンバルブが閉じる前に前記フラップを閉じるとともに、前記エンジン吸気バルブの前記開閉が、各エンジンサイクル中で同期して変動するように構成された制御装置と、
    を備えたエンジンを制御する制御システム。
  18. 前記作動パラメータはエンジン速度である請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記作動パラメータはエンジン負荷の計測量である請求項１７に記載のシステム。
  20. 前記作動パラメータはスロットル位置である請求項１７に記載のシステム。
  21. 前記作動パラメータはエンジン温度である請求項１７に記載のシステム。
  22. 大気と連通する排気ポートと、前記シリンダと前記排気ポートとの連通を開閉するエンジン排気バルブと、
    前記エンジン排気バルブの下流かつ該エンジン排気バルブと直列であって、操作可能に配設された第２フラップと、
    をさらに備え、
    前記制御装置は、エンジンサイクル中において以後に前記排気バルブが開くポイント及び閉じるポイントを決定し、該決定に応じて、低強度圧力パルスが前記シリンダ中で維持されるように、現在のエンジンサイクル中において前記エンジンバルブが閉じる前に前記第２フラップを閉じ、前記エンジン排気バルブの前記開閉が、各エンジンサイクル中で同期して変動するように構成された、
    請求項１７に記載のシステム。
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