JP2013160172A

JP2013160172A - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP2013160172A
Application number: JP2012024033A
Authority: JP
Inventors: Akira Kitahata; 亮北畠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】内燃機関の可変動弁装置に関し、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で排気用バルブを開弁作動させる場合の駆動損失の悪化を抑止する。
【解決手段】筒内の排気を排気ポート内に排出させる主排気用バルブ１２と、筒内の少なくとも一部の排気を排気ポート内に排出させる副排気用バルブ１３と、主排気用バルブ１２を任意の時期に開閉動作させる主可変動弁機構１５と、副排気用バルブ１３を任意の時期に開閉動作させる副可変動弁機構１６と、主可変動弁機構１５及び副可変動弁機構１６の駆動時期を制御するＥＣＵ５０とを備え、ＥＣＵ５０は、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で主排気用バルブ１２を開弁作動させる時に、主可変動弁機構１５よりも前に副可変動弁機構１６を駆動制御して、主排気用バルブ１２よりも前に副排気用バルブ１３を開弁作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁装置に関する。

従来の内燃機関、例えばディーゼルエンジンにおいては、シリンダ内への吸気及びシリンダ内への排気に際して、吸排気用バルブをカムシャフトのカム駆動により開閉動作させている。このカムシャフトは、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転するため、吸排気用バルブの開閉時期はクランクアングルベースで常に一定のタイミングとなる。

一方、ディーゼルエンジンに対する排出ガス規制や燃費規制は年々厳しくなっており、その規制値の達成には燃焼によるエンジン本体からの排気ガスの改善のみならず、エンジンアウト後の排気管内に設置した後処理装置による排気の浄化が必要になっている。エンジン本体における燃焼による排ガスの改善手法としては、燃料を圧縮行程早期に噴射することで燃料着火までの混合期間を稼ぐ予混合ディーゼル燃焼などがある。

しかしながら、予混合ディーゼル燃焼は、着火が化学反応に依存するため、着火時期の制御や高負荷域での適用が困難になる可能性がある。また、後処理装置による排ガスの浄化は、触媒の温度に依存するため、特に冷間始動時などにおいて、触媒が活性温度に達するまでにある程度の時間を要する場合がある。

これらを解決する方法として、吸排気用バルブの開閉をカムではなく作動流体の流体圧を用いて行い、その開閉タイミングを任意に設定することが可能な油圧式の可変動弁機構（例えば、特許文献１参照）を適用することが有用と考えられる。例えば、予混合ディーゼル燃焼時の着火制御や高負荷側での運転においては、吸気用バルブの開弁時期を遅角させることにより有効圧縮比（圧縮端圧力）の低下が可能となり、後処理装置の昇温においては、排気用バルブの開弁時期を燃焼期間中まで進角させることにより高温の排ガスの供給が可能となる。

特開２００３−３２８７１３号公報

一般的な油圧式の可変動弁機構は圧力制御室を有しており、この圧力制御室への高圧作動油の供給により吸排気用バルブを開弁作動させる一方、圧力制御室からの高圧作動油の排出及び、磁石の吸引力とバルブスプリングの反力とにより吸排気用バルブを閉弁作動させる。このような油圧式の可変動弁機構においては、バルブスプリングのバネ定数の低減及び、磁石による吸引力を利用することで、吸排気用バルブの駆動損失の低減を図っている（図５参照）。

しかしながら、吸排気用バルブの傘部には閉弁方向への力が作用するため、これらの力に対して吸排気用バルブを開弁作動させるのに必要となる量の高圧作動油を圧力制御室に供給する必要がある。特に、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で排気用バルブを開弁作動させる場合は、圧力制御室への高圧作動油の供給量を増加させる必要があり、駆動損失の悪化を引き起こす可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関の可変動弁装置において、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で排気用バルブを開弁作動させる際の駆動損失の悪化を効果的に抑止することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の可変動弁装置は、開閉動作により内燃機関の筒内の排気を排気ポート内に排出させる主排気用バルブと、開閉動作により内燃機関の筒内の少なくとも一部の排気を排気ポート内に排出させる副排気用バルブと、制御室に供給される作動流体の流体圧により前記主排気用バルブを任意の時期に開閉動作させる主可変動弁機構と、制御室に供給される作動流体の流体圧により前記副排気用バルブを任意の時期に開閉動作させる副可変動弁機構と、前記主可変動弁機構及び前記副可変動弁機構の駆動時期を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で前記主排気用バルブを開弁作動させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させることを特徴とする。

また、前記副排気用バルブの傘部を前記主排気用バルブの傘部よりも小径に形成してもよい。

また、前記制御手段は、内燃機関の高負荷運転時に前記主排気用バルブを開弁作動させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させてもよい。

また、前記制御手段は、前記主排気用バルブの開弁時期を進角させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させてもよい。

また、前記主排気用バルブを一対備えると共に、前記副排気用バルブを前記一対の主排気用バルブの間に設けてもよい。

本発明の内燃機関の可変動弁装置によれば、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で排気用バルブを開弁作動させる際の駆動損失の悪化を効果的に抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置における各バルブの配置を示す模式的な上視図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置における作動油供給部及び各可変動弁機構の構成を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置及び従来の可変動弁装置において、排気用バルブを開弁作動させるのに必要となるエネルギを比較した図である。従来の油圧式の可変動弁装置及びカム駆動式の動弁装置における吸排気用バルブへの荷重を比較した図である。

以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０に適用されるもので、一対の吸気用バルブ１１と、一対の主排気用バルブ１２と、一本の副排気用バルブ１３と、一対の吸気用バルブ１１にそれぞれ設けられた一対の吸気用可変動弁機構１４と、一対の主排気用バルブ１２にそれぞれ設けられた一対の主排気用可変動弁機構１５と、副排気用バルブ１３に対応して設けられた一個の副排気用可変動弁機構１６と、これら可変動弁機構１４〜１６に作動油を供給する作動油供給部２０（図３参照）と、これら可変動弁機構１４〜１６の駆動を制御する制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）５０とを備え構成されている。

なお、図１にはエンジン１０の複数気筒のうち一気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。また、図示の関係上、それぞれ一本の吸気用バルブ１１と主排気用バルブ１２とを省略すると共に、それぞれ一個の吸気用可変動弁機構１４と主排気用可変動弁機構１５とを省略して示している。

吸気用バルブ１１は、吸気用可変動弁機構１４により開閉動作されて図示しない吸気ポートからエンジン１０の筒内１０ａに新気を導入する。主排気用バルブ１２は、主排気用可変動弁機構１５により開閉動作されてエンジン１０の筒内１０ａから図示しない排気ポートに排気を排出する。

副排気用バルブ１３は、副排気用可変動弁機構１６により開閉動作されてエンジン１０の筒内１０ａから図示しない排気ポートに排気の一部を排出する。この副排気用バルブ１３は、図２に示すように一対の主排気用バルブ１２の間に位置して設けられている。また、副排気用バルブ１３の傘部の径は、主排気用バルブ１２の傘部の径よりも小径（本実施形態では１／４）に形成されている。

次に、図３に基づいて作動油供給部２０及び各可変動弁機構１４〜１６の詳細について説明する。なお、本実施形態において、各可変動弁機構１４〜１６は略同様に構成されているので、以下に吸気用可変動弁機構１４と主排気用可変動弁機構１５と副排気用可変動弁機構１６とを併せて説明する。

まず、作動油供給部２０について説明する。燃料タンク２１はフィルタ２２を介してフィードポンプ２３の入口に接続されると共に、このフィードポンプ２３の出口は高圧ポンプ２４の入口に接続されている。また、フィードポンプ２３のフィード圧は、リリーフ弁２６によって調整されて一定に保たれている。

高圧ポンプ２４の出口はコモンレール２５に接続されており、高圧ポンプ２４からコモンレール２５内に高圧燃料が圧送供給される。また、コモンレール２５には複数の図示しないインジェクタが接続されており、これらインジェクタにコモンレール２５内で畜圧された高圧燃料が常時供給されている。さらに、コモンレール２５には、詳細を後述するバルブユニット３９が接続されている。すなわち、コモンレール２５内で畜圧された高圧燃料は、各可変動弁機構１４〜１６に作動油としても供給されるように構成されている。

次に、各可変動弁機構１４〜１６について説明する。シリンダヘッド３１には、吸気用バルブ１１、主排気用バルブ１２、若しくは、副排気用バルブ１３を挿通させる孔３１ａが形成されている。また、アクチュエータボディ３２に形成された孔３２ａには、ピストン３４が摺動自在に挿入されている。このピストン３４の下端部は、各バルブ１１〜１３の上端部と接触している。

各バルブ１１〜１３の軸方向中間位置には、フランジを構成するアッパーシート３５が形成されている。また、アッパーシート３５とシリンダヘッド３１との間には、各バルブ１１〜１３を閉弁方向に向けて付勢するバルブスプリング３６が圧縮状態で介装されている。さらに、アクチュエータボディ３２にはアッパーシート３５を閉弁方向に吸引する磁石３７が設けられている。

アクチュエータボディ３２の孔３２ａにおいて、ピストン３４よりも上方には、油圧制御室３８が形成されている。また、アクチュエータボディ３２の側部には、油圧制御室３８への高圧燃料の供給もしくは停止を切り替えるバルブユニット３９が設けられている。これら油圧制御室３８とバルブユニット３９とは、アクチュエータボディ３２に形成された供給路４１によって連通されている。

アクチュエータボディ３２における油圧制御室３８よりも上方には、この油圧制御室３８と連通する油圧開放室４２が形成されている。また、油圧開放室４２内には、アクチュエータボディ３２の上部に設けられた電磁ソレノイド４４によって開閉駆動される作動弁４３が収容されている。この作動弁４３は、電磁ソレノイド４４がＯＮにされると、上方に移動して油圧制御室３８と油圧開放室４２との連通部４５を開放する一方、電磁ソレノイド４４がＯＦＦにされると、下方に移動して連通部４５を閉鎖するように構成されている。

すなわち、本実施形態の各可変動弁機構１４〜１６はＥＣＵ５０から出力される開弁指示信号により電磁ソレノイド４４がＯＦＦ（作動弁４３が閉）にされると共に、バルブユニット３９がＯＮ（バルブユニット３９が開）にされると、コモンレール２５内の高圧燃料が供給路４１を介して油圧制御室３８へと供給される。これにより、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力が、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力よりも大きくなることで各バルブ１１〜１３は開弁作動される。

一方、ＥＣＵ５０から出力される閉弁指示信号により電磁ソレノイド４４がＯＮ（作動弁４３が開）にされると共に、バルブユニット３９がＯＦＦ（バルブユニット３９が閉）にされると、油圧制御室３８内の高圧燃料が油圧開放室４２から排出路４６を介して燃料タンク２１に回収される。これにより、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力が、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力よりも大きくなることで各バルブ１１〜１３は閉弁作動される。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態に応じて燃料噴射期間や燃料噴射量等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ５０には、何れも図示しないクランク角度センサ、アクセル開度センサ、車速センサ等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。また、ＥＣＵ５０は、各バルブ１１〜１３がエンジン１０の運転状態に応じた開閉時期に開閉作動するように、各可変動弁機構１４〜１６の駆動を制御する。

まず、吸気用可変動弁機構１４及び主排気用可変動弁機構１５の駆動制御から説明する。ＥＣＵ５０には予め作成されたエンジン１０の運転状態と目標開閉開始時期との関係を示すバルブ開閉時期マップ（不図示）が記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、吸気用バルブ１１又は主排気用バルブ１２を開弁作動させる時は、バルブ開閉時期マップからエンジン１０の運転状態に応じた目標開弁開始時期を読み取ると共に、この目標開弁開始時期にバルブユニット３９をＯＮにしつつ電磁ソレノイド４４をＯＦＦに制御する。これにより、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力がバルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力よりも大きくなり、吸気用バルブ１１又は主排気用バルブ１２は所望の目標開弁開始時期に開弁作動される。

一方、吸気用バルブ１１又は主排気用バルブ１２を閉弁作動させる時は、ＥＣＵ５０はバルブ開閉時期マップからエンジン１０の運転状態に応じたに目標閉弁開始時期を読み取ると共に、この目標閉弁開始時期にバルブユニット３９をＯＦＦにしつつ電磁ソレノイド４４をＯＮに制御する。これにより、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力が油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力よりも大きくなり、吸気用バルブ１１又は主排気用バルブ１２は所望の目標閉弁開始時期に閉弁作動される。

次に、副排気用可変動弁機構１６の駆動制御について説明する。ＥＣＵ５０は、筒内１０ａの圧力（以下、筒内圧力）が排気ポートの圧力（以下、排気ポート圧力）よりも高い状態で主排気用バルブ１２を開弁作動させる時、すなわち燃焼圧力が高くなるエンジン１０の高負荷運転領域や、主排気用バルブ１２の開弁時期を進角させる時は、主排気用可変動弁機構１５を駆動させる直前に副排気用可変動弁機構１６を駆動させる。すなわち、ＥＣＵ５０は、バルブ開閉時期マップから読み取った主排気用バルブ１２の目標開弁開始時期の直前に、副排気用可変動弁機構１６のバルブユニット３９をＯＮにしつつ電磁ソレノイド４４をＯＦＦに制御する。これにより、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高くなる条件下において、副排気用バルブ１３は主排気用バルブ１２の開弁開始時期よりも極早期、すなわち直前に開弁作動するように構成されている。

次に、本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置１による作用効果について説明する。

筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い時は主排気用バルブ１２の傘部に閉弁方向の力が作用する。そのため、このような条件下で主排気用バルブ１２を開弁作動させると、開弁に必要な油圧制御室３８への高圧作動油の投入量が増加して主排気用可変動弁機構１５における駆動損失の悪化を引き起こす可能性がある。

本実施形態の可変動弁装置１では、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高くなる条件下で主排気用バルブ１２を開弁作動させる時、すなわち燃焼圧力が高くなるエンジン１０の高負荷運転領域や主排気用バルブ１２の開弁時期を進角させる時は、主排気用バルブ１２の開弁開始時期の直前に副排気用バルブ１３を開弁作動させるように構成されている。すなわち、副排気用バルブ１３を直前に開弁作動させて筒内圧力と排気ポート圧力との差圧を少なくすることで、主排気用バルブ１２は傘部に作用する閉弁方向の力が低減された状態で開弁作動される。その結果、図４に示すように、主排気用バルブ１２を開弁作動させるのに必要なエネルギは、従来装置に比べてエンジン負荷が増加した場合においても大幅に低減されるようになる。

したがって、本実施形態の可変動弁装置１によれば、筒内圧力と排気ポート圧力との差圧を少なくすることで、主排気用バルブ１２の開弁作動時における主排気用可変動弁機構１５の駆動損失を効果的に低減することが可能となる。また、主排気用可変動弁機構１５の駆動損失が低減されるので、エンジン１０の燃費の悪化も効果的に抑止することができる。

また、本実施形態の可変動弁装置１では、副排気用バルブ１３の傘部は主排気用バルブ１２の傘部よりも小径（１／４の径）に形成されている。

したがって、副排気用バルブ１３の傘部に作用する閉弁方向への力が小さく抑制され、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い条件下においても副排気用バルブ１３を確実かつ円滑に開弁作動させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、吸気用バルブ１１と主排気用バルブ１２とをそれぞれ一対備えるものとして説明したが、これら吸気用バルブ１１や主排気用バルブ１２をそれぞれ１本または３本以上備えてもよい。

また、油圧制御室３８に供給される作動流体はエンジン１０の燃料を用いるものとして説明したが、他の流体を作動流体として用いることもできる。

また、本実施形態の可変動弁装置１が適用されるエンジン１０は、コモンレール式のディーゼルエンジンに限定されず、通常の噴射ポンプ式のディーゼルエンジンやガソリンエンジン等にも広く適用することが可能である。

１０エンジン
１１吸気用バルブ
１２主排気用バルブ
１３副排気用バルブ
１４吸気用可変動弁機構
１５主排気用可変動弁機構（主可変動弁機構）
１６副排気用可変動弁機構（副可変動弁機構）
２０作動油供給部
５０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

開閉動作により内燃機関の筒内の排気を排気ポート内に排出させる主排気用バルブと、
開閉動作により内燃機関の筒内の少なくとも一部の排気を排気ポート内に排出させる副排気用バルブと、
制御室に供給される作動流体の流体圧により前記主排気用バルブを任意の時期に開閉動作させる主可変動弁機構と、
制御室に供給される作動流体の流体圧により前記副排気用バルブを任意の時期に開閉動作させる副可変動弁機構と、
前記主可変動弁機構及び前記副可変動弁機構の駆動時期を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、筒内圧力が排気ポート圧力よりも高い状態で前記主排気用バルブを開弁作動させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
前記副排気用バルブの傘部を前記主排気用バルブの傘部よりも小径に形成した請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
前記制御手段は、内燃機関の高負荷運転時に前記主排気用バルブを開弁作動させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させる請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
前記制御手段は、前記主排気用バルブの開弁時期を進角させる時に、前記主可変動弁機構よりも前に前記副可変動弁機構を駆動制御して、前記主排気用バルブよりも前に前記副排気用バルブを開弁作動させる請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
前記主排気用バルブを一対備えると共に、前記副排気用バルブを前記一対の主排気用バルブの間に設けた請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の可変動弁装置。