JP4037377B2

JP4037377B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4037377B2
Application number: JP2004091343A
Authority: JP
Inventors: 史隆本城
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005273598A

Description

本発明は、機関負荷に応じて燃焼室内のスワール比を変化させる内燃機関に関する。

燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直噴式内燃機関では、低負荷運転時には成層燃焼をさせる一方、高負荷運転時には均質燃焼をさせると、全運転領域で理想的な燃焼を実現できることが公知である。このとき、燃焼室内の渦流の強弱を示すスワール比は、低負荷運転時には小さくする一方、高負荷運転時には大きくすると、内燃機関の着火性と安定性とを両立させることができる。このため、特開２００３−１３７４２号公報（特許文献１）に開示されるように、機関負荷に応じて２つの吸気弁のうちの１つを作動状態又は休止状態に切り換えることで、全運転領域で理想的な燃焼を実現させる技術が提案されている。なお、「スワール比」とは、燃焼室内の空気旋回速度をクランク軸回転速度で除したものをいう。
特開２００３−１３７４２号公報

しかしながら、かかる提案技術は、吸気弁を作動状態又は休止状態に切り換える必要があるため、動弁機構が複雑になり、コスト上昇，信頼性低下，重量増加などを来してしまうおそれがあった。また、２つの吸気弁は同一径を有するため、特に、低負荷運転時におけるスワール比を最適なものにすることが困難であり、必ずしも、全運転領域で理想的な燃焼が実現できるとは言い難い状況にあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、異なる有効径を有する吸気弁に連なる吸気ポートを機関運転状態に応じて開閉することで、複雑な動弁機構を不要とすると共に、低負荷運転及び高負荷運転に夫々適合したスワール比とし、内燃機関の着火性と安定性とを両立させつつ、全運転領域での燃焼特性を改善した内燃機関を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、シリンダヘッド下面に位置する燃焼室内へと吸気を導入する吸気ポートの先端に、有効径が相互に異なる２つの吸気弁が夫々配設された内燃機関であって、前記吸気ポートは、有効径が大径の吸気弁へと連なるポートを途中で下方に向けて分岐し、その分岐ポートの先端に有効径が小径の吸気弁が配設される形状をなしていると共に、前記吸気ポートのうち少なくとも有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートの開度を増減可能な開度増減手段と、機関負荷を検出する負荷検出手段と、該負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、前記開度増減手段を制御する開度制御手段と、を含んで構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、機関が低負荷運転状態又は高負荷運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段を備え、前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により低負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞する一方、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、機関が低負荷運転状態又は高負荷運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段を備え、前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により低負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞すると共に、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させる一方、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞すると共に、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、各吸気弁へと連なる２つの吸気ポートを共に開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、２つの吸気ポートの先端には有効径が相互に異なる２つの吸気弁が夫々配設されると共に、少なくとも有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートの開度が機関負荷に応じて制御される。このため、２つの吸気弁の有効径を、夫々、低負荷運転状態及び高負荷運転状態に適合したスワール比及び吸気流量が得られるものとすれば、内燃機関の着火性と安定性とを両立させつつ、その全運転領域で理想的な燃焼を実現させることができる。また、吸気弁を作動状態又は休止状態に切り換える複雑な機構が不要なことから、コスト上昇，信頼性低下，重量増加などを防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、機関が低負荷運転状態にあれば、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートが閉塞される一方、機関が高負荷運転状態にあれば、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートが開通される。このため、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開閉するだけで、低負荷運転状態又は高負荷運転状態に適合したスワール比及び吸気流量を夫々得ることができる。

請求項３記載の発明によれば、機関が低負荷運転状態にあれば、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートが閉塞されると共に、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートが開通される。一方、機関が高負荷運転状態にあれば、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートが閉塞されると共に、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートが開通される。このため、有効径が小径及び大径の吸気弁へと連なる２つの吸気ポートを選択的に閉塞又は開通させるだけで、低負荷運転状態又は高負荷運転状態に適合したスワール比及び吸気流量を夫々得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、機関が高負荷運転状態にあるときには、各吸気弁へと連なる２つの吸気ポートが共に開通されるので、高負荷運転に必要な空気流量は２つの吸気弁の協働により確保される。このため、有効径が大径の吸気弁の径を小さくすることが可能となり、その慣性が小さくなることから、バルブサージングを起こり難くしつつ，弁駆動エネルギを低減させることができる。また、有効径が小径の弁隙間が小さいことから、高負荷運転を行っているときに、燃焼室内へと導入される吸気の流速が高まってスワール比が大きくなり、均質燃焼を一層改善することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、ディーゼル機関に対して本発明を適用した実施形態を示す。
シリンダヘッド１０には、図示しないピストンが往復摺動する燃焼室を臨むように、有効径が相互に異なる２つの吸気弁１２Ａ及び１２Ｂ，２つの排気弁１４Ａ及び１４Ｂ、並びに、燃料噴射弁１６が夫々配設される。また、シリンダヘッド１０の内部には、吸気マニフォールドから流入した吸気を途中で分岐しつつ、各吸気弁１２Ａ及び１２Ｂへと導入する吸気ポート１８と、排気弁１４Ａ及び１４Ｂを介して排出された排気を合流しつつ、排気マニフォールドへと導出する排気ポート２０と、が夫々形成される。

そして、本発明の特徴として、吸気を２つの吸気弁１２Ａ及び１２Ｂへと分岐する吸気ポート１８の分岐点に、有効径が小径の吸気弁（以下「小吸気弁」という）１２Ａ及び有効径が大径の吸気弁（以下「大吸気弁」という）１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を開閉、望ましくは、その開度を任意に増減可能なプレート状の弁体２２が回動自由に配設される。弁体２２に連結された弁軸２４の端部には、その開閉動作を行わせるアクチュエータとしての電動モータ２６が連結される。ここで、弁体２２，弁軸２４及び電動モータ２６を含んで、開度増減手段が構成される。

一方、電動モータ２６の制御系としては、アクセル開度，吸気流量，吸気負圧，燃料噴射量などの機関負荷Ｑを検出する負荷センサ２８（負荷検出手段）が配設される。そして、負荷センサ２８からの機関負荷信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３０へと入力され、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムにより電動モータ２６が制御される。ここで、制御プログラムを実行するコントロールユニット３０により、運転状態判定手段及び開度制御手段が夫々実現される。

次に、コントロールユニット３０において、機関始動後所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの内容について、図２を参照しつつ説明する。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、負荷センサ２８から機関負荷Ｑを読み込む。
ステップ２では、機関負荷Ｑに基づいて、ディーゼル機関が高負荷運転状態にあるか否かを判定する。ここで、高負荷運転状態にあるか否かは、例えば、機関負荷Ｑがアクセル開度であれば、その開度が所定値以上であるか否かにより、高精度かつ間接的に判定することができる。そして、ディーゼル機関が高負荷運転状態にあればステップ３へと進み（Ｙｅｓ）、図３（Ａ）に示すように、小吸気弁１２Ａへと連なる吸気ポート１８を閉塞すると共に、大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を開通させるように弁体２２を開閉駆動すべく、電動モータ２６に対して制御信号を出力する。一方、ディーゼル機関が高負荷運転状態でない、即ち、低負荷運転状態にあればステップ４へと進み（Ｎｏ）、同図（Ｂ）に示すように、大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を閉塞すると共に、小吸気弁１２Ａへと連なる吸気ポート１８を開通させるように弁体２２を開閉駆動すべく、電動モータ２６に対して制御信号を出力する。

このようにすれば、ディーゼル機関が高負荷運転をしているときには、吸気の全量が大吸気弁１２Ｂを介して燃焼室内へと導入される一方、ディーゼル機関が低負荷運転をしているときには、吸気の全量が小排気弁１２Ａを介して燃焼室内へと導入される。このため、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂの有効径を、夫々、低負荷運転状態及び高負荷運転状態に適合したスワール比及び吸気流量を得られるものとすれば、ディーゼル機関の着火性と安定性とを両立させつつ、その全運転領域で理想的な燃焼を実現させることができる。また、吸気弁１２Ａ又は１２Ｂを作動状態又は休止状態に切り換える複雑な動弁機構が不要なことから、コスト上昇，信頼性低下，重量増加などを来すことはない。

なお、ディーゼル機関が高負荷運転を行っているときには、図４に示すように、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を共に開通させるように、電動モータ２６に対して制御信号を出力し、弁体２２を中間開度に制御するようにしてもよい。このようにすれば、高負荷運転に必要な吸気流量は小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂの協働により確保されるので、大吸気弁１２Ｂの有効径を小さくすることが可能となり、その慣性が小さくなることから、バルブサージングを起こり難くしつつ、弁駆動エネルギを低減させることができる。また、小吸気弁１２Ａの弁隙間が小さいことから、高負荷運転を行っているときに、燃焼室内へと導入される吸気の流速が高まってスワール比が大きくなり、均質燃焼を一層改善することができる。

吸気ポート１８を開閉する構成としては、図５に示すように、２つの弁体２２を用いて、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を夫々独立して開閉するものであってもよい。
また、吸気ポート１８の構成は、図６に示すように、大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を途中で下方に向けて分岐し、その分岐ポートの先端に小吸気弁１２Ａが配設されるものとしてもよい。このとき、吸気ポート１８の分岐部に、弁軸２４を横向きに配置すると共に、ここから上流に向けて弁体２２が延びるように連結し、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を任意に開閉可能な構成とする。そして、ディーゼル機関が高負荷運転を行っているときには、弁体２２により分岐ポートを閉塞する一方、ディーゼル機関が低負荷運転を行っているときには、弁体２２により大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を閉塞するように、電動モータ２６に対して制御信号を出力すればよい。

さらに、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８を開閉する構成に代えて、図７（Ａ）に示すような弁体２２、又は、同図（Ｂ）に示すような弁軸２４が略中央部に連結された弁体２２により、大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８のみを開閉するようにしてもよい。その他、シリンダヘッド１０の内部に形成された吸気ポート１８としては、図８に示すように、小吸気弁１２Ａ及び大吸気弁１２Ｂへと連なる吸気ポート１８が完全に独立しているものであってもよい。

なお、以上の説明においては、内燃機関としてディーゼル機関を前提としたが、ガソリンを燃焼室内に直接噴射し、点火プラグによりガソリンと空気との混合気を着火する筒内直噴式火花点火内燃機関であっても、本発明を適用可能であることはいうまでもない。また、以上説明した構成に限らず、公知の吸気ポート形状，吸気弁配置，弁体構成などを適宜組み合わせた内燃機関であっても、同様に、本発明を適用可能であることはいうまでもない。

本発明の第１実施形態を示し、（Ａ）はシリンダヘッド平面図、（Ｂ）はその要部縦断面図制御プログラムの内容を示すフローチャート弁体の制御状態を示し、（Ａ）は高負荷運転状態の説明図、（Ｂ）は低負荷運転状態の説明図高負荷運転状態における弁体の他の制御状態の説明図本発明の第２実施形態を示すシリンダヘッド平面図本発明の第３実施形態を示し、（Ａ）はシリンダヘッド平面図、（Ｂ）はその要部縦断面図第３実施形態における弁体の配置を変更した変形例を示し、（Ａ）はその一例を示す要部縦断面図、（Ｂ）は他の例を示す要部縦断面図吸気ポートの構成を変更した変形例を示し、（Ａ）はその一例を示すシリンダヘッド平面図、（Ｂ）は他の例を示すシリンダヘッド平面図

符号の説明

１０シリンダヘッド
１２Ａ小吸気弁
１２Ｂ大吸気弁
１８吸気ポート
２２弁体
２４弁軸
２６電動モータ
２８負荷センサ
３０コントロールユニット

Claims

シリンダヘッド下面に位置する燃焼室内へと吸気を導入する吸気ポートの先端に、有効径が相互に異なる２つの吸気弁が夫々配設された内燃機関であって、
前記吸気ポートは、有効径が大径の吸気弁へと連なるポートを途中で下方に向けて分岐し、その分岐ポートの先端に有効径が小径の吸気弁が配設される形状をなしていると共に、
前記吸気ポートのうち少なくとも有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートの開度を増減可能な開度増減手段と、
機関負荷を検出する負荷検出手段と、
該負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、前記開度増減手段を制御する開度制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関。
前記負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、機関が低負荷運転状態又は高負荷運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段を備え、
前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により低負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞する一方、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関
前記負荷検出手段により検出された機関負荷に基づいて、機関が低負荷運転状態又は高負荷運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段を備え、
前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により低負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞すると共に、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させる一方、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、有効径が小径の吸気弁へと連なる吸気ポートを閉塞すると共に、有効径が大径の吸気弁へと連なる吸気ポートを開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記開度制御手段は、前記運転状態判定手段により高負荷運転状態にあると判定されたときに、各吸気弁へと連なる２つの吸気ポートを共に開通させるように、前記開度増減手段を制御することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の内燃機関。