JP2010116869A - 車両用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カットが行われる減速運転域でのポンピング損失を低減できる車両用内燃機関を提供する。
【解決手段】燃料供給の停止が検知されたとき、吸気弁５と排気弁６とのオーバーラップ量を拡大するオーバーラップ可変機構制御部（ＥＣＵ）１０を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ量を可変制御するオーバーラップ可変機構と、燃料カット減速域が検知されたとき燃料噴射弁からの燃料供給を停止する燃料噴射弁制御部とを備えた車両用内燃機関に関する。

オーバーラップ可変機構を備えた内燃機関では、スロットル弁が閉じられる低負荷運転域においては内部ＥＧＲ率が高くなることから、燃焼安定性が阻害される。そこで低負荷運転域では、オーバーラップ量を減じることにより内部ＥＧＲ率を低くし、もって安定燃焼を維持することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

また前記内燃機関では、燃料消費量を抑制する観点から、スロットル弁が閉じられる減速運転域での燃料供給を停止する場合がある。
特開２００１−３７７１号公報

ところで、前記燃料供給が停止される運転域では、スロットル弁が閉じられているので、オーバーラップ量を最小値又は極めて小さい値に制御すると、吸気行程でのポンピング損失が大きくなるとともに、車両速度が必要以上に低下するという問題がある。

本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、燃料供給が停止される燃料カット減速域でのポンピング損失を低減できる車両用内燃機関を提供することを課題としている。

請求項１の発明は、吸気通路に配設され、吸気量を可変制御するスロットル弁と、前記吸気通路又は燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ量を変化させるオーバーラップ可変機構と、エンジン運転状態から燃料カット減速域を検知する燃料カット減速域検知部と、燃料カット減速域が検知されたとき前記燃料噴射弁による燃料供給を停止する燃料噴射弁制御部とを備えた車両用内燃機関であって、前記燃料カット減速域が検知されたとき前記オーバーラップ可変機構によるオーバーラップ量を拡大するオーバーラップ量制御部を備えたことを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用内燃機関において、前記オーバーラップ量制御部は、所定車速以上での走行中に燃料カット減速域が検知されたときには、前記オーバーラップ量の拡大量を小側に補正することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１に記載の車両用内燃機関において、複数気筒を有し、前記吸気通路は、各気筒共通の吸気合流管と、該吸気合流管から分岐されて各気筒に接続された吸気枝管とを有し、前記スロットル弁は、前記吸気合流管に配設され、前記各吸気枝管には、通路面積を可変制御する吸気制御弁が配設され、燃料カット減速域が検知されたとき前記吸気制御弁を全閉又は極小度開度とする吸気制御弁制御部を備えたことを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３に記載の車両用内燃機関において、前記各吸気制御弁をバイパスするとともに、各気筒に渦状の吸気流を流入させるバイパス通路が設けられ、該各バイパス通路には、気筒側への流れのみを許容する逆止弁が設けられていることを特徴としている。

低負荷運転域では、内部ＥＧＲ率を小さくすることにより安定燃焼を維持することができる。そのためオーバーラップ可変機構を備えた内燃機関の場合、低負荷運転域では、オーバーラップ量を最小値もしくは極めて小さい値に制御して運転される。一方、このような運転を行うとポンピング損失が大きくなるという問題がある。

請求項１の発明では、オーバーラップ量の拡大により内部ＥＧＲ率が増加しても、燃料カット減速域においては安定燃焼への影響が生じることはない点に着目し、燃料カット減速域が検知されたときには、オーバーラップ量を拡大するようにした。そのため内部ＥＧＲ率が高くなって燃焼室の負圧状態が解消されることから、ポンピング損失を低減できる。その結果、必要以上の減速が行われないので、エネルギーのロスを低減でき、例えばハイブリッド車に搭載した場合には、回生エネルギーを増加することができる。

一方、請求項１の発明では、燃料カット減速域ではオーバーラップ量が拡大されるので、ポンピング損失が低減され、換言すれば内燃機関自体によるブレーキ力、いわゆるエンジンブレーキが弱くなり、特に高速走行中には車両のブレーキ装置に過大な負荷がかかるおそれがある。

そこで請求項２の発明では、高速走行中の燃料カット減速域では、オーバーラップ量の拡大を減じるようにした。そのため内燃機関自体によるブレーキ力、いわゆるエンジンブレーキが作用し、車両のブレーキ装置に過大な負荷が加わるのを抑制できる。

複数気筒機関において、各気筒共通の吸気合流管にスロットル弁を設けた場合、各気筒は吸気分岐管により連通しているので、燃料カット減速域でオーバーラッ量を拡大して内部ＥＧＲ率が高くなっても、他の気筒の吸気負圧の影響により吸気開始時における吸気弁上流側の負圧を減じることは困難となる。

そこで請求項３の発明では、各吸気枝管に吸気制御弁を配置し、燃料カット減速域では、オーバーラップ量を拡大するとともに前記吸気制御弁を全閉または極小開度とした。そのため他の気筒からの吸気負圧の影響を遮断して吸気行程初期の吸気負圧を減じることができ、ポンピング損失をより一層低減することができる。

燃料カット運転からアイドリング運転，もしくは極低負荷運転等の稼働運転に復帰する場合には、燃料供給を再開するとともに、拡大されたオーバーラップ量を極短時間で減じる必要がある。しかしオーバーラップ量を極短時間で減じることは困難であり、応答遅れが生じ易く、内部ＥＧＲの過多により燃焼が良好に行えないおそれがある。

そこで請求項４の発明では、吸気制御弁をバイパスするとともに、燃焼室に渦状の吸気流を流入させるバイパス通路を設けた。そのため燃焼室に強い渦流を生成させることができ、燃料カット運転から稼動運転に復帰する場合の安定燃焼を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１ないし図４は、本発明の第１実施形態による車両用内燃機関を説明するための図であり、図１は内燃機関の概略構成図、図２は内燃機関の断面図、図３は内燃機関のブロック構成図、図４は内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。

図において、１は車両用４サイクル４気筒火花点火式内燃機関を示している。この内燃機関１は、各気筒に燃焼用空気及び燃料を供給する吸気装置２と、吸気弁５と排気弁６とのオーバーラップ量を可変制御するオーバーラップ可変機構（バルブタイミング可変機構）７と、エンジン運転状態から燃料カット減速域を検知する燃料カット減速域検知部として機能するとともに、燃料カット減速域が検知されたとき燃料噴射弁４による燃料供給を停止する燃料噴射弁制御部として機能するＥＣＵ１０とを備えており、詳細には以下の構成を有する。

前記内燃機関１は、４つのシリンダボア（気筒）１２ａが並列に形成されたシリンダブロック１２と、該シリンダブロック１２に結合され、前記シリンダボア１２ａに対向するよう燃焼凹部１３ａが形成されたシリンダヘッド１３とを備えている。前記各シリンダボア１２ａ内にピストン１５が摺動自在に挿入され、該ピストン１５はコンロッド１６ａを介してクランク軸１６に連結されている。

前記シリンダボア１２ａ，燃焼凹部１３ａ及びピストン１５の頂面で囲まれた空間により燃焼室１ａが形成されている。

前記シリンダヘッド１３の各燃焼凹部１３ａには、燃焼室１ａに連通する１つの吸気開口１３ｂと１つの排気開口１３ｃが形成されている。前記クランク軸１６と平行な直線Ｃを挟んだ一側に前記吸気開口１３ｂが、他側に前記排気開口１３ｃがそれぞれ配置されている。

また各燃焼凹部１３ａには、２本の点火プラグ１９，１９が、前記吸気開口１３ｂと排気開口１３ｃとの間に、かつ前記直線Ｃより僅かに排気開口１３ｃ側に位置するように配設されている。

前記吸気開口１３ｂ，排気開口１３ｃには、前記吸気弁５，排気弁６が配設されている。該各吸気弁５は吸気カム軸１７により開閉駆動され、各排気弁６は排気カム軸１８により開閉駆動される。

前記各吸気開口１３ｂは、吸気ポート１３ｄによりシリンダヘッド１３の一側壁に導出され、各排気開口１３ｃは、排気ポート１３ｅによりシリンダヘッド３の他側壁に導出されている。

前記各排気ポートに１３ｅには、排気枝管２３が接続されている。該各排気枝管２３の下流端には１本の排気合流管２４が接続されており、該排気合流管２４の途中部分には排ガスの浄化を行う触媒２５が介設され、下流端にはマフラ（不図示）が接続されている。

前記各吸気ポート１３ｄに前記吸気装置２が接続されている。この吸気装置２は、各気筒共通の吸気合流管２８と、前記各気筒の吸気ポート１３ｄに接続された吸気枝管２ａと、該各吸気枝管２ａと前記吸気合流管２８との間に介在されたサージタンク２７とを有する。

前記吸気合流管２８に各気筒共通の前記スロットル弁３が配置されている。ここで、本実施形態でいう吸気通路とは、吸気開口１３ｂから吸気ポート１３ｄ，吸気枝管２ａ，サージタンク２７，吸気合流管２８及びエアクリーナ２９を含む。

前記各吸気枝管２ａの下流端部には、燃料噴射弁４が装着され、吸気ポート１３ｄを通して吸気弁５の弁裏に向けて燃料を噴射供給するよう配置されている。

前記各吸気枝管２ａの上流端部には、吸気制御弁２０が配置されている。該各吸気制御弁２０は、共通の弁軸２０ａにより連結されており、該弁軸２０ａの端部に接続された駆動モータ２１により一体に開閉駆動される。

前記内燃機関１は、前記排気合流管２４を流れる排気ガスの一部を燃焼室１ａに還流させるＥＧＲ装置４０を備えている。このＥＧＲ装置４０は、前記排気合流管２４に接続されたＥＧＲ導入管４１と、該ＥＧＲ導入管４１の途中に介設され、外部ＥＧＲガスを所定温度に冷却するＥＧＲ冷却器４２と、ＥＧＲ導入管４１のＥＧＲ冷却器４２の下流側に介設されたＥＧＲ制御弁４３とを備えている。また前記ＥＧＲ導入管４１のＥＧＲ冷却器４２の上流側には、ＥＧＲガスに混入したカーボン等の微粒子を除去する微粒子トラップ４４が介設されている。

前記ＥＧＲ導入管４１は、前記吸気合流管２８のスロットル弁３下流側に形成されたＥＧＲ導入口２８ａに接続されている。

前記オーバーラップ可変機構７は、吸気行程における吸気弁５の開タイミングと、排気行程における排気弁６の閉タイミングとの両方もしくは何れか一方を変化させることにより、吸気弁５及び排気弁６が同時に開くオーバーラップ量を変化させる。

前記オーバーラップ可変機構７は、前記吸気カム軸１７，排気カム軸１８を介して吸気弁５，排気弁６の開，閉時期を連続的に変化させる油圧コントロールバルブ等からなるアクチュエータ７ａ，７ｂと、該各アクチュエータ７ａ，７ｂｂを駆動制御するオーバーラップ可変機構制御部として機能する前記ＥＣＵ１０とを有する。具体的には、ＥＣＵ１０は、エンジン運転状態に応じてオーバーラップ量をクランク角度で例えば２０度〜９０度の範囲で変化させる。

本実施形態内燃機関１は、運転状態検知センサ８を備えている。この運転状態検知センサ８は、吸気カム角センサ８ａ，排気カム角センサ８ｂ，エンジン回転数センサ（クランク角センサ）８ｃ，アクセルペダルセンサ（スロットル開度センサ）８ｄ，車速センサ８ｅ，水温センサ８ｆ，吸気温センサ８ｄ等により構成されている。

前記ＥＣＵ１０は、各種の運転状態検知センサ８からの検出値に基づいて、燃料カット減速域を検知するとともに、各燃料噴射弁４の燃料噴射量，噴射時期、各点火プラグ１９の点火時期を制御し、さらに吸気制御弁２０，ＥＧＲ制御弁４３を開閉制御する。

例えば、アイドリング運転，極低負荷運転域では、吸気制御弁２０を閉じるとともに、ＥＧＲ制御弁４３を閉じる。低・中負荷運転域では、吸気制御弁２０をアクセル操作量に応じて開くとともに、ＥＧＲ制御弁４３を半開〜全開とする。高負荷運転域では、吸気制御弁２０を全開とするとともに、ＥＧＲ制御弁４３を閉じる。

前記ＥＣＵ１０は、前記運転状態検知センサ８からの信号により燃料カット減速域を検知すると、各燃料噴射弁４からの燃料供給を停止し、各吸気制御弁２０を全閉とするとともに、オーバーラップ量を最大値（例えばクランク角度で９０度）まで拡大する。

前記ＥＣＵ１０は、通常のエンジン運転状態に応じたオーバーラップ量が記載された稼動運転マップ及び燃料カット減速域に応じたオーバーラップ量が記載された減速運転マップを内蔵している。そして、図４に示すように、前記ＥＣＵ１０は、エンジン回転数センサ８ｃやアクセルペダルセンサ８ｄ等の検出値を読み込み（ステップＳ１）、エンジン回転数やスロットル弁開度等からエンジン運転状態が燃料カット減速域にあるか否かを判断し（ステップＳ２）、燃料カット減速域にない場合には、稼働運転マップから通常運転状態でのオーバーラップ量を決定し（ステップＳ６）、オーバーラップ量制御信号をアクチュエータ７ａ，７ｂに出力する（ステップＳ５）。これによりオーバーラップ量は稼働運転状態におけるオーバーラップ量となる。

一方、燃料カット減速域にある場合は、前記ＥＣＵ１０は、車両速度が所定値以上か、つまり高速走行中か否かを判断し（ステップＳ３）、高速走行中でない場合は、減速運転マップから燃料カット減速域におけるオーバーラップ量を、例えばクランク角度で９０°の最大値まで拡大するよう決定し（ステップＳ７）、オーバーラップ量制御信号を出力する（ステップＳ５）。すると前記オーバーラップ可変機構が前記決定されたオーバーラップ量となるように吸気弁の開タイミング及び排気弁の閉タイミングを制御する。

前記ステップＳ３において、前記ＥＣＵ１０が、高速走行中であると判断した場合は、前記減速運転マップにおけるオーバーラップ量を、例えばクランク角度で２０°となるよう小側に補正し、出力する（ステップＳ４，Ｓ５）。これにより前記オーバーラップ可変機構が前記補正されたオーバーラップ量となるように吸気弁の開タイミング及び排気弁の閉タイミングを制御する。

本実施形態によれば、燃料噴射弁４からの燃料供給が停止される燃料カット減速域が検知されたときには、オーバーラップ量を拡大するようにしたので、内部ＥＧＲ率が高くなり、燃焼室１ａの負圧状態が解消されることから、それだけポンピング損失を低減できる。この場合、燃料カット運転域であることから、オーバーラップ量の拡大による安定燃焼への影響が生じることはない。その結果、車速の必要以上の減速が行われないので、エネルギーのロスを低減でき、例えばハイブリッド車に搭載した場合には、回生エネルギーの増加を図ることができる。

図５は、オーバーラップ量とポンピング損失との関係を示す。この場合、スロットル弁を全閉とし、エンジン回転数を１０００〜４５００ｒｐｍに変化させつつオーバーラップ量をクランク角度で２０度から９０度の間で変化させた。

図中、曲線ａはオーバーラップ量が２０度、曲線ｂは４０度、曲線ｃは５０度、曲線ｄは７０度、曲線ｅは８０度、曲線ｆは９０度である。

同図からも明らかなように、エンジン回転数が低いほどオーバーラップ量を拡大することにより、ポンピング損失が低減されていることが分かる。特にエンジン回転数が２５００ｒｐｍ以下のときにオーバーラップ量が大きいほど顕著な効果が得られる。

高速走行中の車両が減速する場合には、車両のブレーキ装置に過大な負荷がかかる。本実施形態では、高速走行中の減速時には、オーバーラップ量の拡大を減じるようにしたので、内燃機関自体によるブレーキ力が作用し、車両のブレーキ装置に過大な負荷が加わるのを抑制できる。

複数気筒内燃機関では、各気筒の吸気枝管２ａが連通しているので、他の気筒の吸気負圧の影響により吸気弁上流側の吸気負圧を減じるのは困難である。本実施形態では、各吸気枝管２ａに吸気制御弁２０を配置し、燃料カット減速域では、オーバーラップ量を拡大するとともに前記吸気制御弁２０を閉じるようにしたので、他の気筒の吸気負圧を影響を排除して吸気行程初期の吸気負圧を減じることができ、ポンピング損失をより一層低減することができる。

図６，図７は、本発明の第２実施形態による車両用内燃機関を説明するための図である。図中、図１，図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態の内燃機関１は、各燃焼室１ａに燃焼用空気及び燃料を供給する吸気装置２と、吸気弁５と排気弁６とのオーバーラップ量を可変制御するオーバーラップ可変機構７と、エンジン運転状態から燃料カット減速域を検知するとともに、燃料カット減速域が検知されたとき前記燃料噴射弁４からの燃料供給を停止するＥＣＵ１０とを備えており、基本的な構造は第１実施形態と同様である。以下、異なる部分についてのみ説明する。

吸気枝管２ａには、吸気制御弁２０をバイパスするバイパス通路３６が形成されている。該各バイパス通路３６は、前記シリンダボア１２ａ内で横渦又は縦渦からなる吸気流Ａを生成するように構成されている。

前記各バイパス通路３６の下流部は２つに分岐されており、それぞれの下流端口３６ａ，３６ａは、吸気弁５の弁軸の左，右を通るように、かつ吸気開口１３ｂの近傍に位置するように接続されている。また前記バイパス通路３６の、上流端口３６ｂは、前記サージタンク２７に接続されている。

前記各バイパス通路３６の上流端口３６ｂには、逆止弁３５が配設されている。この吸気逆止弁３５は、サージタンク２７からの吸気開口１３ｂ側への流れのみを許容し、逆方向への流れを阻止するリード弁式のものである。

本実施形態では、各吸気枝管２ａの吸気制御弁２０をバイパスするバイパス通路３６を形成し、該バイパス通路３６を燃焼室１ａに渦状の吸気流Ａが生成するよう指向させたので、燃料カット運転域から稼動運転に復帰する場合の、耐ＥＧＲ性を向上でき、安定燃焼をさせることができる。即ち、燃料カット運転からアイドリング運転，もしくは極低負荷運転に復帰する場合には、燃料供給を再開するとともに、拡大されたオーバーラップ量を短時間で減じる必要がある。しかしながら、このような動作には応答遅れが生じ易く、内部ＥＧＲの過多により燃焼が良好に行えない場合がある。本実施形態では、バイパス通路３６により燃焼室１ａに強い吸気流Ａを生成させるようにしたので、燃料カット運転域から稼動運転に復帰する場合の燃焼を安定させることができる。

本発明の第１実施形態による車両用内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面図である。 前記内燃機関のブロック構成図である。 前記内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。 前記内燃機関のオーバーラップ量とポンピング損失との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による車両用内燃機関の概略構成図である。 前記内燃機関の断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１ａ 燃焼室
２ａ 吸気枝管（吸気通路）
３ スロットル弁
４ 燃料噴射弁
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ オーバーラップ可変機構
１０ ＥＣＵ（燃料カット減速域検知部、燃料噴射弁制御部，オーバーラップ可変機構制御部）
１２ａ シリンダボア（気筒）
２０ 吸気制御弁
２８ 吸気合流管
３５ 逆止弁
３６ バイパス通路
Ａ 吸気流

Claims (4)

1. 吸気通路に配設され、吸気量を可変制御するスロットル弁と、
   前記吸気通路又は燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁と、
   吸気弁と排気弁とのオーバーラップ量を変化させるオーバーラップ可変機構と、
   エンジン運転状態から燃料カット減速域を検知する燃料カット減速域検知部と、
   燃料カット減速域が検知されたとき前記燃料噴射弁による燃料供給を停止する燃料噴射弁制御部と
   を備えた車両用内燃機関であって、
   前記燃料カット減速域が検知されたとき前記オーバーラップ可変機構によるオーバーラップ量を拡大するオーバーラップ量制御部を
   備えたことを特徴とする車両用内燃機関。
2. 請求項１に記載の車両用内燃機関において、
   前記オーバーラップ量制御部は、所定車速以上での走行中に燃料カット減速域が検知されたときには、前記オーバーラップ量の拡大量を小側に補正する
   ことを特徴とする車両用内燃機関。
3. 請求項１に記載の車両用内燃機関において、
   複数気筒を有し、
   前記吸気通路は、各気筒共通の吸気合流管と、該吸気合流管から分岐されて各気筒に接続された吸気枝管とを有し、
   前記スロットル弁は、前記吸気合流管に配設され、
   前記各吸気枝管には、通路面積を可変制御する吸気制御弁が配設され、
   燃料カット減速域が検知されたとき前記吸気制御弁を全閉又は極小開度とする吸気制御弁制御部を備えた
   ことを特徴とする車両用内燃機関。
4. 請求項３に記載の車両用内燃機関において、
   前記各吸気制御弁をバイパスするとともに、各気筒に渦状の吸気流を流入させるバイパス通路が設けられ、
   該各バイパス通路には、気筒側への流れのみを許容する逆止弁が設けられている
   ことを特徴とする車両用内燃機関。

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