JP4206905B2 - 多気筒内燃エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、多気筒内燃エンジンに係り、詳しくは、排気ポートとは別個独立して気筒の燃焼室内に排気を導入させる多気筒内燃エンジンに関する。
従来、内燃エンジンの燃焼を改善する手法として、高温高圧の排気を燃焼室内に戻して燃料の霧化を促進させる方法が知られている。
しかし、燃焼室内に戻す時点まで高温高圧の排気を確保することが難しいという問題があり、この状況を打開する多気筒内燃エンジンの技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
当該エンジンでは、燃焼室内の排気を貯留する貯留室と、貯留された排気を燃焼室内に戻す還流弁とを設け、当該還流弁を、膨張行程の後半、望ましくは排気弁の開弁に先立って開き始めさせている。これにより、多気筒内燃エンジンの排気還流による排気浄化促進や燃費向上を図る。
特開2001−241362号公報(段落番号0013〜0019、図2等)
しかし、前記従来の技術では、上記還流弁が、排気弁の通常の開弁時期よりも早い膨張行程の後半時点で開弁されていることから、膨張比が低下して熱効率が大幅に悪化するおそれがあるとの問題が生ずる。
このように、前記従来の技術では、多気筒内燃エンジンの排気還流による燃費向上の点については依然として課題が残されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、排気還流による燃費向上を図ることができる多気筒内燃エンジンを提供することを目的とする。
上記目的を達成するべく、請求項1記載の多気筒内燃エンジンは、気筒毎に吸排気ポートとは別個に配設され気筒の燃焼室に連通する分岐ポートと、分岐ポート毎に装着されポートを開閉させる連通弁と、各分岐ポートを連通する連通室と、排気ポートを開閉させる排気弁の開閉時期を制御する開閉タイミング調整手段と、エンジン運転状態に応じて開閉タイミング調整手段及び連通弁を作動制御する制御手段とを設け、制御手段は、膨張行程にある気筒の排気弁の開弁時期を通常よりも遅らせて当該膨張行程の後期に設定するとともに、膨張行程にある気筒の連通弁を排気弁の通常の開弁時期から遅らせた開弁時期の区間で開弁させ、この膨張行程に同期した吸気行程又は圧縮行程にある気筒の連通弁を開弁させる制御モードを有することを特徴としている。
また、請求項2記載の発明では、前記制御モードは、吸気行程又は圧縮行程にある気筒の連通弁の開弁期間を膨張行程にある気筒の連通弁の開弁期間よりも長くさせることを特徴としている。
更に、請求項3記載の発明では、前記制御モードは、吸気行程にある気筒の連通弁の開弁期間を、吸気行程から圧縮行程までに設定することを特徴としている。
また、請求項4記載の発明では、前記制御モードは、圧縮行程にある気筒の連通弁に対し、圧縮行程で開弁させることを特徴としている。
更にまた、請求項5記載の発明では、制御手段は、エンジン中負荷運転の場合に前記制御モード実行することを特徴としている。
また、請求項6記載の発明では、連通室に加圧空気の供給を行う新気供給手段を更に設け、制御手段は、エンジン低負荷運転の場合には、新気供給手段を駆動させて連通弁を開閉制御することを特徴としている。
したがって、請求項1記載の本発明の多気筒内燃エンジンによれば、制御手段が、開閉タイミング調整手段で排気弁の開弁時期を遅らせ、この遅らせた期間分の排気の取り出しを行うので、連通室への円滑な排気導入を促進させつつ、この排気を高い膨張比で維持させることができ、熱効率の悪化を回避して排気還流による燃費向上を図ることができる。
また、請求項2記載の発明によれば、吸気行程又は圧縮行程にある気筒の連通弁の開弁期間の方が長めに設定されているので、気筒間の排気を利用した筒内流動性向上を図ることができる。
更に、請求項3記載の発明によれば、吸気行程にある気筒の連通弁が、吸気行程から圧縮行程までは排気を導入させるので、この場合にも気筒間の排気を利用した筒内流動性向上を図ることができる。
また、請求項4記載の発明によれば、圧縮行程にある気筒の連通弁が、圧縮行程にて排気を導入させるので、V型6気筒や3気筒エンジンでは特に筒内流動性向上を図ることができる。
更にまた、請求項5記載の発明によれば、制御手段が、エンジン中負荷運転時、すなわち、燃焼は安定しているが吸気絞りを伴って熱効率の改善の余地がある場合には、一の気筒の排気を他の気筒に供給する排気還流制御を行うことで、熱効率改善と排気浄化促進(HC低減)とを実現することができる。
また、請求項6記載の発明によれば、制御手段が、エンジン低負荷運転時、すなわち、気筒内に残留した既燃ガスが多くなって燃焼不安定となり易い場合には新気を供給する加圧空気供給制御を行うことで、乱れ作用によって等容度が高くなり、熱効率改善を実現することができる。また、加圧空気を利用した燃焼性向上と、気筒間の排気を利用した筒内流動性向上とが一つの構成で達成できるし、広範なエンジン運転領域にも対応可能になる。
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図1には本発明の一実施形態に係る多気筒内燃エンジンのシステム構成図が示され、図2には該エンジンの部分断面図が示されており、以下図1及び図2に基づき本発明に係る多気筒内燃エンジンの構成を説明する。
当該実施形態に用いられる直列4気筒エンジン(以下、エンジン)1としては、吸気ポートを介した燃料噴射が実施可能なマルチポイントインジェクションエンジン(MPI型エンジン)が一例として示されている。
エンジン1のシリンダヘッド2には、♯1〜♯4の4つの気筒11〜14毎に吸気ポート4が形成されており、各吸気ポート4の燃焼室3側には、各吸気ポート4と燃焼室3との連通及び遮断を行う吸気弁8がそれぞれ設けられている。
各吸気ポート4には吸気通路10の一端がそれぞれ接続されている。吸気通路10には、各♯1〜♯4気筒に燃料噴射を行う電磁式のインジェクタ(図示せず)が気筒毎にそれぞれ取り付けられており、該インジェクタは、ピストン5の排気行程で燃焼室3に向けて燃料を噴射する。
吸気通路10には吸気管16の一端が接続されている。吸気管16には吸入空気量を調節するモータ駆動式のスロットル弁18の他、スロットル開度を検出するセンサ、吸入空気量を検出するセンサ(いずれも図示せず)が設けられている。そして、新気は、各吸気ポート4を介して♯1気筒11、#2気筒12、#3気筒13及び♯4気筒14に吸入される。なお、本実施形態の点火順序は、♯1気筒11、#3気筒13、♯4気筒14、#2気筒12の順である。
また、シリンダヘッド2には、気筒11〜14毎に点火プラグ7が取り付けられており、吸気管16からの新気とインジェクタからの燃料とからなる混合気に対して燃焼室3内で火花点火を行う。
さらに、シリンダヘッド2には、4つの気筒11〜14毎に排気ポート6が形成されており、各排気ポート6の燃焼室3側には、各排気ポート6と燃焼室3との連通及び遮断を行う排気弁9がそれぞれ設けられている。この排気弁9の開閉時期は、排気VVT(開閉タイミング調整手段)50による油圧調整によって連続的に可変にされる。排気VVT50には、例えばベーン式可変バルブタイミング機構が適用される。なお、ベーン式可変バルブタイミング機構は公知であり、ここではその構成の詳細については説明を省略する。
各排気ポート6には排気通路40の一端がそれぞれ接続されている。また、排気通路40には、排気浄化を行う三元触媒や排気中の排気空燃比を検出するO2センサ(いずれも図示せず)が設けられている。
ここで、上記各気筒11、12、13、14には、燃焼室3に連通する分岐管(分岐ポート)31、32、33、34が気筒毎に吸気ポート4や排気ポート6とは別個に配設されている。各分岐管31、32、33、34には、該各分岐管を任意の時期に開閉可能な電磁式のポート開閉弁(連通弁)21、22、23、24がそれぞれ装着されている。そして、各分岐管31、32、33、34には、これらを連通するポート連通管(連通室)20が設けられ、このポート連通管20には加圧空気の供給を行う新気供給手段(加圧空気ポンプ)30が接続されている。
具体的には、図2の#1気筒11の断面図に示されるように、分岐管31は、シリンダヘッド2の吸気ポート4の開口近傍位置において燃焼室3に向けて開口されており、燃焼室3から離れる方向に延設されている。そして、ポート連通管20は、分岐管31に略直交する方向にて他の分岐管32、33、34に向けて設けられている。このポート連通管20がシリンダヘッド2内に配設されることにより、エンジンのコンパクト化が図られる。なお、ポート連通管20の端部に接続される加圧空気ポンプ30もまた、シリンダヘッド2に直付けされており、上記コンパクト化に寄与している。
ポート開閉弁21は、分岐管31に対してシリンダヘッド2の外側から燃焼室3に向けて装着されている。そして、電子コントロールユニット(ECU)60からの信号に基づいてポート開閉弁21の弁体41が分岐管31を開閉することにより、気筒11の燃焼室3内の排気を取り出してポート連通管20に貯留させたり、また、該ポート連通管20を介し、他の気筒12、13、14からの排気を気筒11の燃焼室3内へ供給することや、加圧空気を気筒11の燃焼室3内へ供給することが行われる。なお、他の気筒12、13、14の構成についても上記気筒11の構成と同様である。
ECU60は、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)等を備えており、当該ECU60により、エンジン1の総合的な制御が行われる。
ECU60の入力側には、上記各種センサ類が接続されている。一方、ECU60の出力側には、上記インジェクタやスロットル弁18等の他、加圧空気ポンプ30や排気VVT50等の各種出力デバイスが接続され、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された各信号がそれぞれ出力される。
特に、本実施形態のエンジン1では、排気還流による燃費向上を図りつつ、広範なエンジン運転領域にも対応させるべく、エンジン運転状態に応じて加圧空気ポンプ30、排気VVT50及びポート開閉弁21、22、23、24を作動制御する新気排気導入制御部(制御手段)61がECU60に備えられている。
このように、新気排気導入制御部61が、加圧空気ポンプ30を駆動させてポート開閉弁21、22、23、24を開閉制御すれば、ポート連通管20及び分岐管31、32、33、34を介して気筒毎に新気を供給することができ、燃焼室3内で空気と燃料との乱れ作用を生じさせ、燃焼改善を図ることができる。
また、新気排気導入制御部61が、加圧空気ポンプ30の駆動を禁止させてポート開閉弁21、22、23、24を開閉制御すれば、他気筒の排気を効率良く導入することができ、他気筒の強い排気流動によって十分な運動量を得て火炎伝播を早めることが可能となり、乱流燃焼のアシストの良好化を図ることができる。
よって、加圧空気を利用した燃焼性向上と、他気筒の排気流動を利用した燃焼性向上とを図ることができ、しかも、このような燃費向上及び排気の浄化促進を図る複数の燃焼方式が簡素、かつ、廉価な構成で達成可能となる。
次に、新気排気導入制御部61による排気還流制御を具体的に説明する。なお、本排気還流制御は本発明で特定される制御モードに相当するものである。
図3及び図4が排気還流制御の説明図である。
当該排気還流制御は、加圧空気ポンプ30の駆動を禁止させてポート開閉弁(連通弁)21、22、23、24を開閉制御することにより行われる。また、この制御はエンジン中負荷運転時に行われる。これは、燃焼は安定しているものの、吸気絞りを伴ってポンプ損失が存在し、熱効率の改善の余地があるからである。なお、点火順序が連続しない気筒、一例として、膨張行程にある気筒11(図4の気筒a)及びポート開閉弁21(図3、4の連通弁A)と、この膨張行程に同期して吸気行程にある気筒14(図4の気筒b)及びポート開閉弁24(図3、4の連通弁B)との組み合わせについて以下に示す。
当該制御では、加圧空気ポンプ30は未作動状態とする。まず、気筒11の排気弁9の開弁時期が通常の排気開弁時期(図3の▼印)よりも遅らされる。次いで、気筒11のポート開閉弁21の開弁時期が、前記通常の排気開弁時期から上記遅らせた現在の排気開弁時期近傍に至るまでで、この排気弁9の開弁時期に先行した時期に設定される(図3の■印A)。そして、気筒14のポート開閉弁24の開弁時期が、ポート開閉弁21の閉弁前の所定時期から気筒14の筒内圧(図4の一点鎖線)がポート連通管20の圧力(図4の実線)以下の所定時期に至るまで設定される(図3の■印B)。
このように、ポート開閉弁21が上記現在の排気開弁時期近傍で閉じられることで、一旦ポート連通管20に流入された排気が気筒11に逆流することを防止できる。
更に、ポート開閉弁24がポート開閉弁21の閉弁前の所定時期に開かれる、具体的には、図4に示す如くポート開閉弁21及びポート開閉弁24の開弁時期が重なると、高圧の排気を有する気筒11と低圧の吸気を有する気筒14とが導通して確実な差圧が生じ、ポート連通管20や分岐管などの通路内容積に起因した排気流入遅れも排除できる。
更にまた、ポート開閉弁21とポート開閉弁24とをともに開弁させたオーバーラップ期間中には、ガス流れの慣性効果でポート連通管20内には排気の流出気筒11から流入気筒14への一方向の高速な流れを生じさせることができる。つまり、大きなエネルギーを有する気筒11の排気は、ポート連通管20に貯留されずにそのまま気筒14内に流入することができる。
また、ポート開閉弁24を気筒14の筒内圧がポート連通管20の圧力以下である所定時期までに閉じることにより、気筒14からポート連通管20に逆流することをも防止できる。
なお、図4では、膨張行程にある気筒11と吸気行程にある気筒14との組み合わせについて説明したが、膨張行程の気筒とこれに同期する吸気行程の気筒との組み合わせであれば、図3にて膨張行程の気筒のポート開閉弁A及び吸気行程の気筒のポート開閉弁Bと示されるように、膨張行程にある気筒14と吸気行程にある気筒11、膨張行程にある気筒13と吸気行程にある気筒12や、膨張行程にある気筒12と吸気行程にある気筒13についても同様に制御できる。これらの開閉はシーケンシャルに繰り返される。
したがって、本実施形態の新気排気導入制御部61による排気還流制御によれば、エンジン1の中負荷運転時には、排気弁9の開弁に先行してポート開閉弁Aを開弁させると、膨張行程にある気筒aの高温高圧かつ高速の排気が、ポート連通管20を介して吸気行程にある気筒b内に供給されるので、円滑な排気流入を促進しつつ高い膨張比の維持が可能となり、熱効率の悪化を回避することができる。また、吸気弁8の開弁期間中に対する排気の流入は、ポンプ損失を低減することにも繋がる。
また、燃焼ガスが膨張し、排気弁9が開く過程で生じるブローダウンのガスには排気弁9の開弁当初などでは高濃度のHCが含まれるが(図5)、本実施形態では、これが他の気筒に循環して燃焼するので、サイクル効率が向上すると同時に排気管40から排出されるHCは低減されることになる。
更に、本実施形態の如く吸気行程後半から圧縮行程前半にかけて損失のない速い流速の排気を流入すれば、図6に示すように、ポート開閉弁Bの圧縮行程にて筒内平均流速が大きくなり、気筒bの燃焼室3内では圧縮上死点前に強い乱れが生成されるので従来に比して筒内流動性の向上を図ることができ、乱流火炎伝播速度が速められて燃焼期間を短縮できる。また、図7に示すように圧縮上死点での熱発生率が高められ、高濃度の排気で希釈された予混合気であっても等容度が高くなることから従来に比して熱効率が良く、安定した燃焼が可能となって燃焼性の向上を図ることができる。なお、等容度とは、燃焼が瞬時に完結しないことによる時間損失の割合をいい、燃焼指標の一つである。
次に、新気排気導入制御部61による加圧空気供給制御を具体的に説明する。
図8及び図9が加圧空気供給制御の説明図である。
当該加圧空気供給制御は、加圧空気ポンプ30を駆動させてポート開閉弁(連通弁)21、22、23、24を開閉制御することにより行われる。また、この制御はエンジン低負荷運転時に行われる。これは、気筒内に残留した既燃ガスの新気に対する比率が多くなって燃焼不安定となり易いからである。
当該制御では、排気弁の開閉時期は通常の排気弁開閉時期に設定される。なお、排気弁の開閉時期は必要に応じて好適に設定できる。まず、加圧空気ポンプ30は作動状態とする。つまり、ポート連通管20には加圧空気が常時導入される。次いで、吸気行程にある気筒11のポート開閉弁21の開弁時期(図9上の■印)が、当該吸気行程中の所定時期から気筒11の筒内圧(図9下の一点鎖線)がポート連通管20の圧力(図9下の実線)以下の圧縮行程の所定時期に至るまで設定される。
このようにポート開閉弁21が開閉されることで、燃焼室3には速い流速の新気が流入して強い乱れを生成させることができる。
また、ポート開閉弁21は、筒内圧がポート連通管20の圧力以下の所定時期までに閉じられるので、気筒11の燃焼室3からポート連通管20に逆流することを防止できる。
なお、図9では、気筒11について説明したが、図8に示されるように、吸気行程にある気筒12〜14についても同様に制御できる。これらの開閉はシーケンシャルに繰り返される。なお、当該制御では、新気量及び圧縮上死点近傍での乱れ強度の変化に伴い、燃焼状態も変化することから、ポート開閉弁の開弁期間は、良好な燃焼の維持及び高い熱効率の確保の観点から決定される。よって、各ポート開閉弁の開弁期間は互いに重なることもある。
したがって、本実施形態の新気排気導入制御部61による加圧空気供給制御によれば、エンジン1の低負荷運転時には、吸気行程から圧縮行程にかけて加圧空気ポンプ30を駆動させてポート開閉弁を開閉制御するので、低負荷時においても等容度が高くなって熱効率の改善を図ることができるとともに、安定した燃焼を実現することができる。
なお、以上の中負荷及び低負荷以外では、加圧空気ポンプ30やポート開閉弁21〜24は、いずれも未作動状態にして通常の運転を行う。なお、この場合にも、排気弁9の開閉時期は出力、燃費、排ガスに対して好適に設定される。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記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種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態によるポート開閉弁は、縦渦(図10)又は横渦を生成できるように配置されるものであっても良い。このように、ポート開閉弁21からの流速の速いガス流入によって縦渦や横渦などのバルクフローを生成させると、バルクフローは圧縮行程後半まで保存された後、上死点前に崩壊して強い乱れとなり、乱流火炎伝播速度が速められて燃焼期間を短縮でき、等容度をより高く安定した燃焼が可能となり、高い熱効率を実現することができる。
また、上記実施形態の如くの直列4気筒エンジンに限定されるものではなく、例えば、直列3気筒、2気筒や6気筒にも適用できる。この直列3気筒の排気還流制御について説明すると、加圧空気ポンプ30は未作動状態とおいて一例としては、図11に示されるように、まず、膨張行程にある気筒11の排気弁9の開弁時期が通常の排気開弁時期(図の▼印)よりも遅らされる。次いで、気筒11のポート開閉弁21(図の連通弁A)の開弁時期が、この排気弁9の開弁時期に先行して設定される(図の■印)。そして、この膨張行程に同期して圧縮行程にある気筒12のポート開閉弁22(図の連通弁B)の開弁時期が、ポート開閉弁21の閉弁前の所定時期から気筒12の筒内圧がポート連通管20の圧力以下となる所定時期に至るまで設定される(図の■印)。排気弁9が開弁されていない圧縮行程にある気筒に排気を導入させることで、該排気のエネルギーを有効に利用することが可能となる。なお、直列型の他、V型や水平対向型のエンジンにおいても、各バンクに連通路を含む構成を並列に付加することで、同様な制御を行うことができる。
更に、ポート連通管から筒内に供給されるガスが余剰酸素を含む場合には、吸気と供給燃料で定義される空燃比を目標よりも過濃とし、排気通路から排出される排ガス組成で定義されるトータルの空燃比が目標値となるように設定するものであっても良く、例えば、三元触媒が最大限機能するようにストイキに調整することで排気を大幅に浄化できる。
また、上記実施形態に加えて、吸気通路に排気の一部を還流するEGRバルブを付加しても良く、中負荷と低負荷との運転で燃焼限界に余裕がある場合にはEGRを利用することでポンプ損失を低減させ、良好な燃焼を維持しながら更なる熱効率を高めることができる。
更にまた、排気VVTの他、吸気弁の開閉弁時期を調整可能な開閉タイミング調整手段を付加しても良い。中負荷と低負荷との運転で燃焼限界に余裕がある場合には、吸気弁の開弁時期を通常の吸気開弁時期よりも早めて吸排気のオーバーラップ期間を増大させれば、内部EGRの増加によってポンプ損失を低減させ、良好な燃焼を維持しながら更なる熱効率を高めることができる。また、同時に吸気閉弁時期を通常よりも早めれば、実圧縮比が増大して熱効率が一層高められる。
本発明の一実施形態に係る多気筒内燃エンジンの概略構成図である。 図1のエンジンの部分断面図である。 図1のエンジンによる排気還流制御の説明図である。 図1のエンジンによる排気還流制御の説明図である。 図1のエンジンによる排気浄化促進を示す図である。 図1のエンジンによる筒内流動性向上を示す図である。 図1のエンジンによる燃焼性向上を示す図である。 図1のエンジンによる加圧空気供給制御の説明図である。 図1のエンジンによる加圧空気供給制御の説明図である。 本発明の他の実施例によるエンジンの部分断面図である。 本発明の更に他の実施例によるエンジンの概略構成図及び排気還流制御の説明図である。
符号の説明
1 多気筒内燃エンジン
2 シリンダヘッド
3 燃焼室
4 吸気ポート
6 排気ポート
9 排気弁
11、12、13、14 気筒
20 ポート連通管(連通室)
21、22、23、24 ポート開閉弁(連通弁)
30 加圧空気ポンプ(新気供給手段)
31、32、33、34 分岐管(分岐ポート)
50 排気VVT(開閉タイミング調整手段)
60 電子コントロールユニット(ECU)
61 新気排気導入制御部(制御手段)

Claims (6)

  1. 気筒毎に吸排気ポートとは別個に配設され前記気筒の燃焼室に連通する分岐ポートと、該分岐ポート毎に装着され該ポートを開閉させる連通弁と、前記各分岐ポートを連通する連通室と、前記排気ポートを開閉させる排気弁の開閉時期を制御する開閉タイミング調整手段と、エンジン運転状態に応じて該開閉タイミング調整手段及び前記連通弁を作動制御する制御手段とを設け、
    該制御手段は、膨張行程にある気筒の排気弁の開弁時期を通常よりも遅らせて当該膨張行程の後期に設定するとともに、該膨張行程にある気筒の連通弁を前記排気弁の通常の開弁時期から前記遅らせた開弁時期の区間で開弁させ、前記膨張行程に同期した吸気行程又は圧縮行程にある気筒の連通弁を開弁させる制御モードを有することを特徴とする多気筒内燃エンジン。
  2. 前記制御モードは、前記吸気行程又は前記圧縮行程にある気筒の連通弁の開弁期間を前記膨張行程にある気筒の連通弁の開弁期間よりも長くさせることを特徴とする請求項1記載の多気筒内燃エンジン。
  3. 前記制御モードは、前記吸気行程にある気筒の連通弁の開弁期間を、該吸気行程から前記圧縮行程までに設定することを特徴とする請求項1又は2記載の多気筒内燃エンジン。
  4. 前記制御モードは、前記圧縮行程にある気筒の連通弁に対し、圧縮行程で開弁させることを特徴とする請求項1又は2記載の多気筒内燃エンジン。
  5. 前記制御手段は、エンジン中負荷運転の場合に前記制御モードを実行することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の多気筒内燃エンジン。
  6. 前記連通室に加圧空気の供給を行う新気供給手段を更に設け、
    前記制御手段は、エンジン低負荷運転の場合には、前記新気供給手段を駆動させて前記連通弁を開閉制御することを特徴とする請求項5記載の多気筒内燃エンジン。
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