JP2006322353A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 未燃ＨＣ排出量を低減すると共に、吸入混合気の均質化を促進させた内燃機関を提供する。
【解決手段】 本発明の内燃機関は、吸気弁１１のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁１１の上流側の吸気通路に燃料噴射するものであって、吸気弁開時期を進角させた際の燃料噴射時期に対して、吸気弁開時期を遅角させた際の燃料噴射時期が進角するよう設定されている。これによって、未燃ＨＣ排出量を低減すると共に、吸入混合気の均質化を促進することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気弁のバルブリフト特性を連続的に変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関に関する。

特許文献１には、吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路内へ燃料を噴射供給するようにした内燃機関が開示されている。
特開２００１−２２１０８３号公報

しかしながら、このような従来の内燃機関にあっては、吸気弁のバルブリフト量と吸気弁開閉時期の変化とに応じて燃料噴射時期を変更するようになっていなかったため、シリンダ内への燃料液滴の流入による未燃ＨＣ排出量の増大、吸入混合気の均質化が進まないことによる燃焼悪化、といった問題が発生する虞がある。

本発明の内燃機関は、吸気弁のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路に燃料噴射するものであって、吸気弁開時期を進角させた際の燃料噴射時期に対して、吸気弁開時期を遅角させた際の燃料噴射時期が進角するよう設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、吸気弁開時期が進角している場合には、燃料噴射時期を相対的に遅角させることによって、噴射によって微粒化した燃料を噴射された直後に直ちにシリンダ内に吸気することができ、吸気量ばらつき、燃焼悪化、未燃ＨＣ排出量増大といった問題を回避することができる。また、吸気弁開時期が遅角している場合には、燃料噴射時期を相対的に進角させることによって、シリンダ内混合気の均質化をより促進し、燃焼を安定させることができるだけでなく、未燃ＨＣ排出量を低減することもできる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は、本発明を、自動車用火花点火式ガソリン機関として構成したものである。

図１は、内燃機関の吸気弁側可変動弁装置の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁装置は、可変動弁機構として、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２１（第２の可変動弁機構に相当する）と、を備えている。

まず、リフト・作動角可変機構１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開平１１−１０７７２５号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド（図示せず）に摺動自在に設けられた吸気弁１１と、シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持された駆動軸２と、この駆動軸２に、圧入等により固定された偏心カム３と、駆動軸２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸２と平行に配置された制御軸１２と、この制御軸１２の偏心カム部１８に揺動自在に支持されたロッカアーム６と、各吸気弁１１の上端部に配置されたタペット１０に当接する揺動カム９と、を備えている。偏心カム３とロッカアーム６とはリンクアーム４によって連係されており、ロッカアーム６と揺動カム９とは、リンク部材８によって連係されている。

駆動軸２は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。

偏心カム３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸２の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム４の環状部が回転可能に嵌合している。

ロッカアーム６は、略中央部が偏心カム部１８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン５を介して上記リンクアーム４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン７を介してリンク部材８の上端部が連係している。偏心カム部１８は、制御軸１２の軸心から偏心しており、従って、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム６の揺動中心は変化する。

揺動カム９は、駆動軸２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン１７を介してリンク部材８の下端部が連係している。この揺動カム９の下面には、駆動軸２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム９の揺動位置に応じてタペット１０の上面に当接するようになっている。

すなわち、上記基円面はベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム９が揺動してカム面がタペット１０に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。

制御軸１２は、図１に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ１３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ１３は、例えばウォームギア１５を介して制御軸１２を駆動するサーボモータ等からなり、エンジンコントロールユニット１９（制御装置）からの制御信号によって制御されている。ここで、制御軸１２の回転角度は、アナログセンサからなる制御軸センサ１４によって検出され、この検出した実際の制御状態に基づいてアクチュエータ１３がクローズドループ制御される。

このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸２が回転すると、偏心カム３のカム作用によってリンクアーム４が上下動し、これに伴ってロッカアーム６が揺動する。このロッカアーム６の揺動は、リンク部材８を介して揺動カム９へ伝達され、揺動カム９が揺動する。この揺動カム９のカム作用によって、タペット１０が押圧され、吸気弁１１がリフトする。

ここで、リフト・作動角制御用アクチュエータ１３を介して制御軸１２の角度が変化すると、ロッカアーム６の揺動運動の中心位置が動いてロッカアーム６の初期位置が変化し、ひいては揺動カム９の初期揺動位置が変化する。

例えば偏心カム部１８が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として上方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０から離れる方向に傾く。従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、基円面が長くタペット１０に接触し続け、カム面がタペット１０に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。

逆に、偏心カム部１８が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として下方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０に近付く方向に傾く。従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、タペット１０と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。

偏心カム部１８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

次に、位相可変機構２１は、図１に示すように、駆動軸２の前端部に設けられたスプロケット２２と、このスプロケット２２と駆動軸２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ２３と、から構成されている。スプロケット２２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。位相制御用アクチュエータ２３は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット１９からの制御信号によって制御されている。この位相制御用アクチュエータ２３の作用によって、スプロケット２２と駆動軸２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構２１の実際の制御状態は、駆動軸２の回転位置に応答する駆動軸センサ１６によって検出され、これに基づいて、アクチュエータ２３がクローズドループ制御される。

ここで、本実施形態においては、吸気弁１１の上流側で吸気通路内に燃料噴射弁（図示せず）から噴射されている。また、暖機後アイドル運転時の吸気弁１１のバルブリフト量を極小リフトと呼び、暖機後アイドル運転時より高負荷側の低負荷運転時の吸気弁１１のバルブリフト量を小リフトと呼ぶ。尚、上記極小リフトは、上記小リフトよりも小さいものである。

本実施形態においては、暖機後アイドル運転時に、吸気弁１１のバルブリフト量を極小リフトとすることによって吸入空気量が制御されている。このときポンプ損失を低減して燃費を向上するために吸気弁１１のリフト中心角の位相を、吸気弁１１と排気弁のバルブオーバラップが無いかまたは小さくなる程度に進角する。ただし、吸気弁１１のリフト中心角の位相を進角させて吸気弁１１の開時期を上死点に近づけると吸入空気流速が減少してシリンダ内混合気の流動エネルギが減少するため燃焼が悪化する虞がある。そのため、暖機後アイドル運転時においても、機関運転条件に応じて燃費と燃焼安定性を両立可能な吸気弁１１のリフト中心角の位相に制御する必要がある。

そこで、暖機後アイドル運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が極小リフトの時において、ポンプ損失を低減して燃費向上を図る場合には、図２に示すように、吸気弁１１のリフト中心角の位相を相対的に進角させ、燃料噴射時期を相対的に遅角させる。そして、暖機後アイドル運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が極小リフトの時に図２に示す条件で吸気弁１１及び燃料噴射時期を制御すると燃焼が悪化するような場合には、燃焼安定性を確保するために、図３に示すように、吸気弁１１のリフト中心角の位相を相対的に遅角させ、燃料噴射時期を相対的に進角させる。

つまり、暖機後アイドル運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が極小リフトの時においては、吸気弁１１のリフト中心角の位相が進角している時の燃料噴射時期よりも、吸気弁１１のリフト中心角の位相が遅角している時の燃料噴射時期の方が進角するように、吸気弁１１のリフト中心角の位相に応じて燃料噴射時期を可変に制御する。

換言すれば、吸気弁開時期を進角させた際の燃料噴射時期に対して、吸気弁開時期を遅角させた際の燃料噴射時期の方が進角するよう制御する。

尚、燃焼が悪化する要因としては、油水温の低下、経年劣化による気筒間の燃料噴射量のバラツキ、等が考えられる。

極小リフト時に吸気弁１１のリフト中心角の位相が進角して吸気弁１１の開時期が上死点に近づいている場合、吸気弁開口部のシリンダ・吸気ポート間差圧が小さいため吸気弁１１がリフトしているときの吸気流入速度が小さい。そのため、燃料噴射時期を従来の内燃機関のように排気上死点前まで進角した場合、吸気行程開始前に燃料が吸気弁傘裏、吸気ポート壁面（吸気通路壁面）に付着した状態となり、吸気弁リフト開始後に吸気弁開口部に液体燃料が付着し、実質的な吸気弁開口面積が縮小する虞がある。このように吸気弁極小リフト時には吸気弁開口面積がもともと小さいため燃料付着による吸気弁１１の実質開口面積変化の影響が大きく、同一リフトであっても気筒間、吸気弁１１毎に吸気量のばらつきが生じ易く、気筒間またはサイクル毎の燃焼ばらつき、トルクばらつきが生じる虞がある。また、吸気弁・吸気ポート壁面に付着した燃料が蓄積すると、この蓄積された燃料が吸気行程中にシリンダ内に流れ込み、空燃比のばらつきが起こって燃焼が悪化する虞がある。さらに、シリンダ壁面に付着した燃料が増大すると未燃ＨＣ排出量が増大するという問題が発生する。

そこで、暖機後アイドル運転時で極小リフト時に吸気弁１１のリフト中心角の位相が進角している場合には、燃料噴射時期を遅らせることによって、吸気弁傘裏、吸気ポート壁面に燃料が付着して蓄積する前に、噴射によって微粒化した燃料を噴射された直後に直ちにシリンダ内に吸気することができ、吸気量ばらつき、燃焼悪化、未燃ＨＣ排出量増大といった問題を回避することができる。

一方、暖機後アイドル運転時で極小リフト時に吸気弁１１のリフト中心角の位相が遅角して吸気弁１１の開時期が上死点から遠ざかっている場合、ピストンが下降開始後シリンダ内負圧が増大してから吸気弁１１が開き始めるため、吸気弁開口部のシリンダ・吸気ポート間差圧が大きくなり吸気弁１１がリフトしているときの吸気流入速度が大きい。そのため、燃料噴射時期が進角して燃料が吸気弁傘裏、吸気ポート壁面に付着した状態から吸気弁１１が開き始めても吸気流速が大きいため、燃料・空気が急速にシリンダ内に吸入され、燃料の微粒化及び混合気の均質化が進む。また、吸気行程前半で燃料・空気を吸入し、ほぼ全ての燃料を吸入した後、空気のみ吸気するようになるため、吸気行程前半で燃焼室壁面・点火プラグ・吸気弁・排気弁・ペントルーフに付着した燃料を高速の空気流で吹き飛ばすことができる。

つまり、暖機後アイドル運転時で極小リフト時に吸気弁１１のリフト中心角の位相が遅角している場合には、燃料噴射時期を進角させることによって、シリンダ内混合気の均質化をより促進し、燃焼を安定させることができるだけでなく、未燃ＨＣ排出量を低減することもできるという効果が得られる。

暖機後アイドル運転時より高負荷側の低負荷運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が小リフトの時には、吸気弁１１と排気弁のバルブオーバーラップ量を拡大することによって内部ＥＧＲ量を増大させると共に、燃焼が安定している範囲内で可能なかぎりポンプ損失を低減し、燃費を向上する必要がある。そのため、機関運転条件に応じて燃焼が安定している場合には吸気弁１１のリフト中心角の位相を進角させ、燃焼安定性が悪化する場合には吸気弁１１のリフト中心角の位相を遅角する制御を行う必要がある。

そこで、暖機後アイドル運転時より高負荷側の低負荷運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が小リフトの時においては、ポンプ損失を低減して燃費向上を図る場合には、図４に示すように、吸気弁１１のリフト中心角の位相を相対的に進角させ、燃料噴射時期を相対的に進角させる。そして、暖機後アイドル運転時よりも高負荷側の低負荷運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が小リフトの時に図４に示す条件で吸気弁１１及び燃料噴射時期を制御すると燃焼が悪化するような場合には、燃焼安定性を確保するために、図５に示すように、吸気弁１１のリフト中心角の位相を相対的に遅角させ、燃料噴射時期を相対的に遅角させる。

つまり、暖機後アイドル運転時よりも高負荷側の低負荷運転時で吸気弁１１のバルブリフト量が小リフトの時においては、吸気弁１１のリフト中心角の位相が進角している時の燃料噴射時期よりも、吸気弁１１のリフト中心角の位相が遅角している時の燃料噴射時期の方が遅角するように、吸気弁１１のリフト中心角の位相に応じて燃料噴射時期を可変に制御する。

換言すれば、図４に示すように吸気弁１１と排気弁のバルブオーバラップ量が大きい時よりも、図５に示すように吸気弁１１と排気弁のバルブオーバラップが小さい時に、燃料噴射時期の方が遅角するように、吸気弁１１と排気弁のバルブオーバラップ量に応じて燃料噴射時期を制御する。

このように、吸気弁小リフト時で吸気弁１１のリフト中心角の位相を進角させた場合、極小リフト時よりも吸気弁１１のリフト中心角の位相はより進角設定であるため吸気弁１１と排気弁のバルブオーバラップ量が大きくなり、小リフト時には吸気弁開口部のシリンダ・吸気ポート間差圧が小さくなる。また、極小リフト時よりも吸気弁開口面積が大きいため吸気弁リフト開始後の吸気流速は極小リフト時に比べて小さい。そのため、極小リフト時とは異なり、吸気弁１１のリフト中心角の位相が進角するほど燃料噴射時期を進角させることにより、吸気ポートに逆流した高温の既燃ガスによって気化が促進され、シリンダ内混合気の均質化をより進めることができる。

一方、吸気弁小リフト時で吸気弁１１のリフト中心角の位相を遅角させた場合、吸気流速が小さく、吸気弁傘裏、吸気ポート壁面に付着した燃料を吹き飛ばす効果が小さいため、極小リフト時とは異なり、燃料噴射直後の微粒化した燃料と空気を直ちに吸入したほうがシリンダ内の混合気をより均質化することができる。そのため、吸気弁小リフト時で吸気弁１１のリフト中心角の位相を遅角させた場合には、燃料噴射時期を遅角する。

尚、吸気弁１１のリフト中心角の位相に応じて燃料噴射時期を変更する方法としては、全気筒を同時に変更する方法があるが、燃料噴射時期変化に伴う燃焼効率変化によって、トルク変動が発生する可能性もある。そのため、１気筒ずつ、または複数気筒ずつ燃料噴射時期を変更するようにしてもよい。また、Ｖ型内燃機関の場合には、バンク毎に順次変更するようにしてもよい。全気筒の燃料噴射時期を同時に変更すると、燃料噴射時期変化に伴う燃焼効率変化によって、トルク変動が発生する可能性があるが、全気筒を同時に変更するのではなく、小数気筒ずつ順次燃料噴射時期を変更していくことによって、燃焼効率変化を緩やかに行いトルク変動を効果的に低減することができる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 吸気弁のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路に燃料噴射する内燃機関において、吸気弁開時期を進角させた際の燃料噴射時期に対して、吸気弁開時期を遅角させた際の燃料噴射時期が進角するよう設定されている。これによって、吸気弁開時期が進角している場合には、燃料噴射時期を相対的に遅角させることによって、噴射によって微粒化した燃料を噴射された直後に直ちにシリンダ内に吸気することができ、吸気量ばらつき、燃焼悪化、未燃ＨＣ排出量増大といった問題を回避することができる。また、吸気弁開時期が遅角している場合には、燃料噴射時期を相対的に進角させることによって、シリンダ内混合気の均質化をより促進し、燃焼を安定させることができるだけでなく、未燃ＨＣ排出量を低減することもできる。

（２） 上記（１）に記載の内燃機関において、暖気後アイドル運転時で吸気弁のバルブリフト量が極小リフトの時に前記燃料噴射時期の制御が行われる。

（３） 吸気弁のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路に燃料噴射する内燃機関において、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが大きい時の燃料噴射時期に対して、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップが小さい時の燃焼噴射時期が遅角するよう設定されている。これによって、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが大きい場合には、燃料噴射時期を相対的に進角させることで、吸気ポートに逆流した高温の既燃ガスによって燃料の気化が促進され、シリンダ内混合気の均質化をより進めることができる。また、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが小さい場合には、燃料噴射時期を遅角させることによって、燃料噴射直後の微粒化した燃料と空気を直ちにシリンダ内に吸入し、シリンダ内の混合気をより均質化することができる。

（４） 上記（３）に記載の内燃機関において、低負荷運転時で吸気弁のバルブリフト量が小リフトの時に前記燃料噴射時期の制御が行われる。

本発明の内燃機関に用いられる可変動弁機構の全体構成を模式的に示した説明図。 暖機後アイドル運転時で吸気弁のバルブリフト量が極小リフトのときの吸気弁のリフト中心角の位相と燃料噴射時期との相関関係を模式的に示した説明図。 暖機後アイドル運転時で吸気弁のバルブリフト量が極小リフトのときの吸気弁のリフト中心角の位相と燃料噴射時期との相関関係を模式的に示した説明図。 低負荷運転時で吸気弁のバルブリフト量が小リフトでバルブオーバーラップが大きいときの吸気弁のリフト中心角の位相と燃料噴射時期との相関関係を模式的に示した説明図。 低負荷運転時で吸気弁のバルブリフト量が小リフトでバルブオーバーラップが小さいときの吸気弁のリフト中心角の位相と燃料噴射時期との相関関係を模式的に示した説明図。

符号の説明

１…リフト・作動角可変機構
２…駆動軸
３…偏心カム
６…ロッカアーム
８…リンク部材
９…揺動カム
１１…吸気弁
１２…制御軸
１４…制御軸センサ
１６…駆動軸センサ
１９…エンジンコントロールユニット
２１…位相可変機構

Claims (4)

1. 吸気弁のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路に燃料噴射する内燃機関において、
   吸気弁開時期を進角させた際の燃料噴射時期に対して、吸気弁開時期を遅角させた際の燃料噴射時期が進角するよう設定されていることを特徴とする内燃機関。
2. 暖気後アイドル運転時で吸気弁のバルブリフト量が極小リフトの時に前記燃料噴射時期の制御が行われることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 吸気弁のバルブリフト量及びリフト中心角の位相を変更可能な可変動弁機構を備え、吸気弁の上流側の吸気通路に燃料噴射する内燃機関において、
   吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが大きい時の燃料噴射時期に対して、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップが小さい時の燃焼噴射時期が遅角するよう設定されていることを特徴とする内燃機関。
4. 低負荷運転時で吸気弁のバルブリフト量が小リフトの時に前記燃料噴射時期の制御が行われることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。

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