JP4238710B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に関する。

特許文献１には、ポンピングロスを十分に低減させつつスロットル弁に依存しない吸気量の制御を実現するとともに、極低負荷域での燃焼悪化を回避するために、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを備えた内燃機関の吸気制御装置が開示されている。この特許文献１のように、リフト・作動角可変機構と、位相可変機構とを備えた内燃機関の吸気制御装置においては、低負荷から高負荷になるに従い、吸気弁のリフト量も大きく設定するのが一般的である。
特開２００２−２５６９０５号公報。

しかしながら、従来、上記位相可変機構の位相変換速度が、上記リフト・作動角可変機構によって変化するリフト量に依存することが明確になっていなかった。このため、リフト量の設定（負荷状態と言い換えてもよい）によっては、上記リフト・作動角可変機構と位相可変機構とを備えた内燃機関の吸気制御装置の性能を場合によっては悪化させてしまう可能性がある。

そこで、本発明は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを備え、機関運転条件に応じて吸気弁のリフト・作動角及びリフト中心角の位相を制御することにより内燃機関の吸気量を制御するようにした内燃機関の吸気制御装置において、吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を、吸気弁のリフト量に応じて変化させることを特徴としている。

本発明によれば、吸気弁のリフト量に応じて吸気弁のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を変化させるので、適正な設定を行うことにより、燃費、あるいは過渡レスポンスを最適にすることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は，本発明のシステムの全体構成の概略を示す構成説明図であり、吸気弁１のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構１０と、吸気弁１のリフト中心角の位相を進角もしくは遅角させる位相可変機構１５とが組み合わされて構成されている。

リフト・作動角可変機構１０は、シリンダヘッド（図示せず）にバルブガイド（図示せず）を介して摺動自在に設けられた吸気弁１と、クランクシャフト（図示せず）に連係された駆動軸２と、駆動軸２に圧入等により固定された駆動軸偏心部３と、駆動軸２と平行に配置された制御軸１２と、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ーアーム６と、吸気弁１の上端部に配置されたタペット１１に当接する揺動カム９と、を備えている。駆動偏心部３とロッカアーム６とはリンク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８によって連係されている。揺動カム９ａ，９ｂは、円筒状の筒部材２５の外周に嵌合固定されている。また、筒部材２５は、駆動軸２の外周に嵌合して回転自在に支持されている。

駆動軸２は、タイミングチェーン（図示せず）もしくはタイミングベルト（図示せず）を介して機関のクランクシャフト（図示せず）によって駆動されるものである。

駆動軸偏心部３は、円形外周面を有し、この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共に、この外周面にリンク４の環状部４ａ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によって支持されていると共に、その一端部にリンク４の延長部４ｂがピン５を介して連係していると共、他端部にリンク８の上端部がピン７を介して連係している。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９ａは、ピン１７を介してリンク８の下端部に連係している。そして、揺動カム９は、揺動位置に応じてタペット１１の上面に当接するようになっている。

制御軸１２は、一端部に設けられたリフト作動角制御用となるモータ等のアクチュエータ１３によって、所定回転角度範囲内で回転するよう構成されている。このアクチュエータ１３は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１９からの制御信号に基づき制御されている。詳述すれば、制御軸１２の回転角度位相は、位相検知センサ１４で検知され、エンジン運転条件と合わせ、ＥＣＵ１９により最適に制御される。

このリフト・作動角可変機構１０の作用を説明すると、駆動軸２の回転運動は、まずリンク４の並進（上下）運動に変換され、次いでこの並進（上下）運動がロッカアーム６の揺動運動に変換され、さらにこの揺動運動で揺動カム９が揺動される仕組みになっている。

また、制御軸１２の回転角度位相、制御軸偏心カム部１８の回転角度位相は、ＥＣＵ１９からの制御信号に基づき、アクチュエータ１３によって制御される。具体的には、ＥＣＵ１９からの指令に基づきアクチュエータ１３を駆動することにより制御軸１２の角度が変化（制御軸１２が回転）すると、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ことになる。これにより、吸気弁１のバルブリフトと作動角を高精度高応答に連続的に可変可能となっている。

一方、クランクシャフト（図示せず）と駆動軸２との位相を可変とする位相可変機構１５は、駆動軸２の一端部に設けられたスプロケット３０と、このスプロケット３０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油圧アクチュエータ２１とから構成されている。そして、スプロケット３０が、タイミングチェーン（図示せず）もしくはタイミングベルト（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連係することにより、駆動軸２がクランクシャフト（図示せず）に連動する。

位相制御用油圧アクチュエータ２１への油圧の供給は、位相検知センサ１６の検出値とエンジン運転条件とに基づいたＥＣＵ１９からの制御信号によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータへの油圧制御によって、スプロケット３０と駆動軸２とが相対回転し、吸気弁１のリフト中心角が遅進する。

以上のような機構により、吸気弁１のバルブリフト及び吸気弁１のバルブタイミングの両方を自由に変更することが可能となっている。

次に、図２を用いて，各負荷領域における最適な吸気弁１のバルブリフト及び吸気弁１のバルブタイミングについて説明する。アイドルのような極低負荷では、極小バルブリフトにより吸気量制御を行い、吸気弁１のリフト中心角の位相を遅角させ、かつ吸気弁閉時期を下死点近傍に設定することにより、有効圧縮比を確保し燃焼改善を図る。一方、燃焼が安定してくる低負荷以上では、吸気弁１のバルブリフトにより吸入抵抗を低減し、吸気弁１のバルブタイミングにより吸気量制御を行う。低負荷では、極小バルブリフトより大きなバルブリフトで吸気弁１のリフト中心角の位相を進角させ、吸気弁閉時期を早めることによりポンプ損失を低減し、燃費を向上させる。さらに負荷が大、燃焼が安定する中負荷では、吸気弁１のバルブリフトを増加させ、かつ吸気弁１のリフト中心角の位相を進角させ、内部ＥＧＲも利用し、燃焼改善、ポンプ損失低減を図る。尚、最大トルク（通常の全開性能に相当）時は、さらに吸気弁１のバルブリフトを増大させ、吸気弁１のリフト中心角の位相を最適なバルブタイミングとなる位相に設定する。

図２において、バルブリフトが比較的小さいとき、すなわち一般的な負荷状態である極低負荷ないし中負荷状態からの減速時においては、よく知られているように、残留ガスの増大に伴う燃焼不安定を回避する必要がある。このため、減速動作の開始とともに、バルブタイミングを速やかに最遅角側に戻すことが要求される。一方、高負荷時、すなわちバルブリフトが大きい場合には、バルブタイミングを速やかに最進角側に進めることで、加速動作に対する良好なレスポンスを得られることが期待できる。

このことから、吸気弁１のバルブリフトが小さいときには進角速度に対して遅角速度を大とし、吸気弁１のバルブリフトが大きいときには進角速度に対して遅角速度を小とすることが好ましい。

この特性を図に表したものが図３である。図３から明らかなように、バルブリフトが小さいほど遅角速度の方が大きくなり、バルブリフトが大きいほど進角速度の方が大きくなる特性である。すなわち、吸気弁１のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差が、吸気弁１のリフト量に応じて変化する特性となるよう設定する。詳述すれば、吸気弁１のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差が、吸気弁１のリフト量に応じて一定の傾向で単調に変化、より詳しくは吸気弁１のリフト量の増加に応じて単調増加する特性となるよう設定する。

さて、上述した図１のシステムにおいて、吸気弁１のバルブタイミングを変更するための具体的な機構は、位相可変動弁機構１５である。そこで、以下、該機構に図３のごとき特性を付与するための具体的方法について述べる。

位相可変動弁機構の代表的なものは、例えば、特開２０００−３５６１１５号公報に示されるものであり、本発明を次のように適用する。

図４に示されるように、タイミングチェーンに取り付けられる部分であるスプロケット３０に対して相対運動を生じないプレート３１と、ベーン３２との間に、スプリング３３を取り付ける。すなわち、スプリング３３の一端をプレート３１に固定し、他端をベーン３２に固定することにより、前記特性を付与することが可能となる。尚、スプリング３３のばね定数ならびに初期の付勢方向は，前記要求が満たされるよう、対象とするシステムに見合ったものを選定すればよい。以上のように、現状広く用いられている位相可変動弁機構の仕組みを大幅に変更することなく、前記特性の付与が容易に可能となる。

以下、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） 吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを備え、機関運転条件に応じて吸気弁のリフト・作動角及びリフト中心角の位相を制御することにより内燃機関の吸気量を制御するようにした内燃機関の吸気制御装置において、吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を、吸気弁のリフト量に応じて変化させる。これによって、吸気弁のリフト量に応じて吸気弁のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差が変化するので、適正な設定を行うことにより、燃費、あるいは過渡レスポンスを最適にすることができる。

（２） 上記（１）に記載の内燃機関の吸気制御装置は、より具体的には、吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を、吸気弁のリフト量に応じて一定の傾向で単調に変化させる。これによって、一般的な負荷状態である極低負荷ないし中負荷状態からの減速時、及び高負荷での加速時において、それぞれ燃費あるいは過渡レスポンスを最適にすることができる。

（３） 上記（１）または（２）に記載の内燃機関の吸気制御装置は、より具体的には、吸気弁のリフト量が同一である場合に、吸気弁のリフト量が小さいときには吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が大となり、吸気弁のリフト量が大きいときには吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角が遅角速度を小となる。これによって、一般的な負荷状態である極低負荷ないし中負荷状態からの減速時において、残留ガスの増大に伴う燃焼不安定を回避することができ、かつ高負荷での加速時において、加速動作に対する良好なレスポンスを得ることができる。

（４） 上記（１）または（２）に記載の内燃機関の吸気制御装置は、より具体的には、吸気弁のリフト量が同一である場合に、内燃機関が低負荷ないし中負荷時には吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が大となり、内燃機関が高負荷時には吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が小となる。

（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置は、より具体的には、内燃機関が中負荷時において、吸気弁と排気弁のオーバーラップ量が大となり、内燃機関が低負荷時においては、吸気弁と排気弁のオーバーラップ量が小となり、かつ吸気弁のリフト作動角が中負荷時よりも小となる。

（６） 上記（１）〜（５）のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置は、より具体的には、吸気弁のリフト中心角の進角速度と吸気弁のリフト中心角の遅角速度が同一になる吸気弁のリフト量が、内燃機関の高負荷時に設定されている。

（７） 上記（１）〜（６）のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置において、内燃機関は、吸入負圧が一定に制御され、かつ吸気弁のバルブリフト特性で吸気量制御が行われるものである。これによって、オーバーラップをさらに大きく設定することができ、燃費のより一層の向上が見込まれる。

（８） 上記（１）〜（７）のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置において、位相可変機構は、油圧とスプリングのバネ力を駆動源として作動するものである。これによって、現状広く用いられている位相可変動弁機構の仕組みを大幅に変更することなく、容易に上述した（１）〜（７）に記載の内燃機関の吸気制御装置を実施、すなわち吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を吸気弁のリフト量に応じて変化させる動きを実現することが可能となる。

本発明に係る内燃機関の吸気制御装置の概略構成を示す説明図。 内燃機関の運転状態と、運転条件に要求されるバルブリフト特性との関係を示す説明図。 吸気弁のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差と、吸気弁のバルブリフトとの相関性を示す説明図。 本発明に係る内燃機関の吸気制御装置における位相可変機構の一実施の形態を示す分解斜視図。

符号の説明

１…吸気弁
２…駆動軸
１０…リフト・作動角可変機構
１２…制御軸
１５…位相可変機構

Claims (8)

1. 吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを備え、機関運転条件に応じて吸気弁のリフト・作動角及びリフト中心角の位相を制御することにより内燃機関の吸気量を制御するようにした内燃機関の吸気制御装置において、
   吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を、吸気弁のリフト量に応じて変化させることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 吸気弁のリフト量が同一である場合のリフト中心角の進角速度と遅角速度との差を、吸気弁のリフト量に応じて一定の傾向で単調に変化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 吸気弁のリフト量が同一である場合に、吸気弁のリフト量が小さいときには吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が大となり、吸気弁のリフト量が大きいときには吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角が遅角速度を小となることを特徴とする請求項１または２に内燃機関の吸気制御装置。
4. 吸気弁のリフト量が同一である場合に、内燃機関が低負荷ないし中負荷時には吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が大となり、内燃機関が高負荷時には吸気弁のリフト中心角の進角速度に対して吸気弁のリフト中心角の遅角速度が小となることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 内燃機関が中負荷時においては、吸気弁と排気弁のオーバーラップ量が大となり、内燃機関が低負荷時においては、吸気弁と排気弁のオーバーラップ量が小となり、かつ吸気弁のリフト作動角が中負荷時よりも小となることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 吸気弁のリフト中心角の進角速度と吸気弁のリフト中心角の遅角速度が同一になる吸気弁のリフト量が、内燃機関の高負荷時に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
7. 内燃機関は、吸入負圧が一定に制御され、かつ吸気弁のバルブリフト特性で吸気量制御が行われるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
8. 位相可変機構は、油圧とスプリングのバネ力を駆動源として作動するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。

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