JP4311813B2 - 火花点火式内燃機関の吸気系統制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願発明は、中低負荷運転領域における内燃機関の燃費向上を図った火花点火式内燃機関の吸気系統制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
火花点火式内燃機関のシリンダ容積を増大させることなく、大出力を図るために、従来では、内燃機関の吸排気弁の開閉動作特性、すなわち弁リフトおよび弁開角を段階的に制御するカム切換型の弁動作特性変更機構と、吸気系統の同調特性を変更する吸気管長変更機構とを併せ備えた火花点火式内燃機関があった（特開平４−９１３３１号公報参照）。
【０００３】
【解決しようとする課題】
前述した従来の火花点火式内燃機関では、低速から高速に亘り、各回転数領域に対応し、開弁期間および弁リフトを変えるとともに吸排気の動的効果を引き出して、吸入空気量を増加させることにより、出力の増大を図り、高負荷運転に充分に適用できるようになっているが、中低負荷の部分負荷運転状態では、絞り弁を絞ることにより、吸入空気量を抑制するようになっているため、部分負荷運転状態では、吸気のポンプ損失平均有効圧力が増大し、燃費が良くなかった。
【０００４】
本出願発明は、このような難点を克服した火花点火式内燃機関の改良に係り、請求項１記載の発明は、リフト量および開弁期間を低リフト量および小開弁期間で駆動する低速特性と、該低速特性より吸気弁のリフト量および開弁期間を高リフト量および大開弁期間で駆動する高速特性とを備えるバルブ特性切換機構と、吸気弁の開弁時期を進角または遅角してカム位相を変更するバルブ位相可変機構と、吸気チャンバーの一部と吸気マニホルドの上流部とを隔壁でもって、長管長通路と短管長通路に並列に分割し、前記短管長通路の上流部に切換制御弁を開閉自在に設け、前記吸気マニホルドの下流端を内燃機関の吸気ポートに接続し、吸気系統の同調特性を変更する吸気管長変更機構とを備えた火花点火式内燃機関であって、内燃機関の中低負荷で、エンジン回転数が低回転数の低回転領域にて、前記バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間の高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ、前記吸気管長変更機構は、短管長に設定され、内燃機関の中低負荷で、前記低回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の中回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ前記吸気管長変更機構は長管長に設定され、内燃機関の中低負荷で、前記中回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の高回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は低速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ吸気管長変更機構は長管長に設定されることを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項１記載のように発明を構成することにより、中低負荷の高速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁を左程絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下し、燃費向上が可能となる。
【０００７】
さらに、請求項１記載のように発明を構成することにより、中低負荷の低速運転領域では、前バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が短管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低減される結果、絞り弁を強く絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下する。
【０００８】
また、中低負荷の中速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁開度を狭くする必要がなくなって、吸気ポンプ損失が減少する。
【０００９】
さらに、中低負荷の高速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁を左程絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下する。
【００１０】
このように、請求項２記載の発明では、低速から高速に亘る中低負荷運転状態において、いずれも吸気ポンプ損失が低いため、燃費の向上が可能となる。
【００１１】
また、請求項３記載のように発明を構成することにより、低負荷・低速運転領域において、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、前記バルブ位相可変機構が遅角側に設定されて、吸・排気弁が共に開状態となるバルブオーバーラップ期間が小さくなり、内部ＥＧＲが減少するため、燃焼が安定化されて、低負荷・低速運転が安定して持続することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本出願発明の一実施形態を図１ないし図１３を参照して説明する。
【００１３】
車両に搭載される図示の内燃機関は、ガソリンを燃料とする火花点火式直列４気筒ＤＯＨＣ４バルブ内燃機関０である。図１に図示されるように、各ピストン１はコネクティングロッド２を介してクランク軸３に連結され、クランク軸３の軸端部に設けられたドライブスプロケット４と、吸気カム軸５および排気カム軸６の軸端部にそれぞれ設けられたカムスプロケット７，８とが、タイミングチェーン９を介して連結されていて、両カム軸５，６は、クランク軸３が２回転したとき１回転するように回転駆動されるようになっている。
【００１４】
また、各気筒には、吸気カム軸５により駆動される２個の吸気弁10と、排気カム軸６により駆動される２個の排気弁11とが設けられ、吸気カム軸５と吸気弁６との間には、それら弁10の弁開閉動作特性を変更しうる弁開閉動作特性変更機構、例えばリフト量および開弁期間を２段階に切換えるバルブ特性切換機構30が設けられ、また、吸気カム軸５において、カムスプロケット７が設けられた軸端部には、吸気弁10の開閉時期を無段階に進角または遅角してカム位相を変更する吸気弁開閉タイミング変更機構であるバルブ位相可変機構40が設けられ、さらに吸気弁10を解して各気筒にそれぞれ連通する吸気ポート12に吸気マニホルド61が接続され、該吸気マニホルド61に吸気系統の同調特性を変更する吸気同調特性変更機構である吸気管長変更機構60が内蔵され、以下、図２ないし図５を参照して、吸気弁10側のバルブ特性切換機構30の構造を説明する。
【００１５】
さらに、吸気カム軸５には、図２に図示されるように、各気筒に対応して一対の低速用カム14と、両低速用カム14に挟まれた高速用カム15とが設けられている。図２，図３に図示されるように、吸気カム軸５よりも下方において、吸気カム軸５と平行に固定されたロッカーシャフト16には、前記低速用カム14、高速用カム15、低速用カム14にそれぞれ対応して、第１ロッカーアーム17、第２ロッカーアーム18および第３ロッカーアーム19が揺動自在に支持されている。
【００１６】
さらにまた、図３に図示されるように、一対の低速用カム14は、吸気カム軸５の径方向に比較的小さい突出量で、その周方向に所定の角度範囲に渡って突出した高位部141と、ベース円部142とから構成されている。高速用カム15は、吸気カム軸５の径方向の突出量が低速用カム14の高位部141の突出量より大きく、かつ周方向の角度範囲が低速用のそれより広い高位部151と、ベース円部152とから構成されている。
【００１７】
しかも、吸気弁10のバルブステム20の上端には、鍔部21が設けられており、シリンダヘッド22および鍔部間に圧縮状態で装着されたバルブスプリング23によって、吸気弁10は閉弁方向に付勢されている。一端部がロッカーシャフト16に揺動自在に支持された第１、第３ロッカーアーム17，19は、その中間部に形成されたカムスリッパ171，191が一対の低速用カム14にそれぞれ当接し、その他端部には吸気弁10のバルブステム20の上端に当接するタペットねじ24がそれぞれ進退自在に設けられている。
【００１８】
そして、一対の吸気弁10間に配置され、その一端部がロッカーシャフト16に揺動自在に支持された第２ロッカーアーム18は、図４に図示されるように、シリンダヘッド22との間に圧縮状態で装着された弾発付勢手段25で付勢され、その他端部に形成されたカムスリッパ181が高速用カム15に当接する。前記弾発付勢手段25は、閉塞端を第２ロッカーアーム18に当接させた有底円筒状のリフタ26と、リフタ26を第２ロッカーアーム18に向けて付勢するリフタスプリング27とから構成されている。
【００１９】
また、図５に図示されるように、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19間の連結状態を切り換える連結切換機構31は、第３ロッカーアーム19および第２ロッカーアーム18間を連結し得る第１切換ピン32と、第２ロッカーアーム18および第１ロッカーアーム17間を連結し得る第２切換ピン33と、第１切換ピン32および第２切換ピン33の移動を規制する第３切換ピン34と、各切換ピン32，33，34を連結解除側に付勢する戻しスプリング35とを備えている。
【００２０】
さらに、第３ロッカーアーム19には、ロッカーシャフト16と平行な有底のガイド孔192がその開放端を第２ロッカーアーム18側にして形成されている。該ガイド孔192には第１切換ピン32が摺動自在に嵌合し、第１切換ピン32とガイド孔192の閉塞端との間に油圧室36が形成されている。また、第３ロッカーアーム19には油圧室36に連通する連通路37が形成され、ロッカーシャフト16内には油圧供給路38が形成されている。連通路37および油圧供給路38は、ロッカーシャフト16の側壁に形成された連通路39を介して、第３ロッカーアーム19の揺動状態にかかわらず常時連通するようになっている。
【００２１】
さらにまた、第２ロッカーアーム18には、ガイド孔192に対応する同一径のガイド孔182がロッカーシャフト16と平行に貫通して形成されており、このガイド孔182に第２切換ピン33が摺動自在に嵌合している。
【００２２】
しかも、第１ロッカーアーム17には、ガイド孔182に対応する同一径の有底円筒状のガイド孔172が、ロッカーシャフト16と平行かつ開放端を第２ロッカーアーム18側にして形成されており、該ガイド孔172に第３切換ピン34が摺動自在に嵌合している。第３切換ピン34に一体に形成された軸部341は、ガイド孔172の閉塞端に形成された案内部173に摺動自在に案内されている。戻しスプリング35は、第３切換ピン34の軸部341の外周に、ガイド孔172の閉塞端および第３切換ピン34間に圧縮状態で装着され、この戻しスプリング35の弾発力で３本の切換ピン32，33，34は連結解除側、すなわち油圧室36側に付勢されている。
【００２３】
また、油圧室に供給される油圧を解放すると、３本の切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力で連結解除側に移動し、この状態では第１切換ピン32および第２切換ピン33の当接面は、第３ロッカーアーム19および第２ロッカーアーム18間にあり、第２切換ピン33および第３切換ピン34の当接面は、第２ロッカーアーム18および第１ロッカーアーム17間にあり、したがって、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は非連結状態になっている。油圧室36に油圧を供給すると、３本の切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力に抗して連結側に移動し、第１切換ピン32がガイド孔182に嵌合し、第２切換ピン33がガイド孔172に嵌合して、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は一体に連結される。
【００２４】
次に、図２および図６を参照して、吸気カム軸５の軸端部に設けられたバルブ位相可変機構40の構造を説明する。
【００２５】
略円筒状のボス部材41の中心に形成した支持孔411が吸気カム軸５の軸端部に同軸に嵌合し、ピン42およびボルト43で相対回転不能に結合される。タイミングチェーン９が巻き掛けられるカムスプロケット７は、円形の凹部７1を有して略カップ状に形成されており、その外周にスプロケット歯７2が形成されている。カムスプロケット７の凹部７1に嵌合する環状のハウジング44と、さらにその軸方向重ね合わされたプレート45とが、それらを貫通する４本のボルト46でカムスプロケット７に結合される。したがって、吸気カム軸５と一体に結合されたボス部材41は、カムスプロケット７、ハウジング44およびプレート45によって囲まれた空間に相対回転可能に収納される。ボス部材41を軸方向に貫通するピン孔412にロックピン47が摺動自在に嵌合しており、このロックピン47はプレート45との間に圧縮状態で装着したスプリング48によって、カムスプロケット７に形成されたロック孔７3に係合する方向に付勢される。
【００２６】
また、ハウジング44の内部には、吸気カム軸５の軸線を中心とする扇状の凹部441が９０°間隔で４個形成されており、ボス部材41の外周から放射状に突出する４枚のベーン49が、３０°の中心角範囲で相対回転し得るように前記凹部441に嵌合している。４個のベーン49の先端に設けられた４個のシール部材50が凹部441の天井壁に摺動自在に当接し、かつハウジング44の内周面に設けられた４個のシール部材51がボス部材41の外周面に摺動自在に当接することにより、各ベーン49の両側に進角室52および遅角室53がそれぞれ区画される。
【００２７】
さらに、吸気カム軸５の内部には、進角用油路54および遅角用油路55が形成されており、進角用油路54はボス部材41を半径方向に貫通する４本の油路56を介して４個の進角室52にそれぞれ連通するとともに、遅角用油路55はボス部材41を半径方向に貫通する４本の油路57を介して４個の遅角室53にそれぞれ連通している。また、ロックピン47の頭部が嵌合するカムスプロケット７のロック孔７3は、図示されない油路を介していずれかの進角室52に連通している。
【００２８】
さらにまた、進角室52に油圧が供給されていないとき、ロックピン47の頭部はスプリング48の弾発力でカムスプロケット７のロック孔７3に嵌合し、図６に図示されるように、カムスプロケット７に対して吸気カム軸５が反時計方向に相対回転した最も遅角した状態にロックされる。この状態から進角室52に供給される油圧を高めてゆくと、いずれかの進角室52から伝達される油圧でロックピン47が、スプリング48の弾発力に抗してカムスプロケット７のロック孔７3から離脱するとともに、進角室52および遅角室53の油圧差でベーン49が押されることによりカムスプロケット７に対して吸気カム軸５が時計方向（図１においては、内燃機関０のクランク軸３の回転方向とは逆の反時計方向）に相対回転し、低速用カム14および高速用カム15の位相が一体的に進角して吸気弁10の開弁時期がともに進み側に変化する。したがって、進角室52および遅角室53の油圧を制御することにより、吸気弁10の開閉時期を無段階に変化させることができる。
【００２９】
吸気管長変更機構60が内蔵された吸気マニホルド61の上流端に吸気チャンバー62が接続され、該吸気チャンバー62に絞り弁63が絞り調整可能に設けられ、該吸気チャンバー62の一部と吸気マニホルド61の上流部とは隔壁64でもって、長管長通路65と短管長通路66で並列に分割され、短管長通路66の上流部に切換制御弁67が開閉自在に設けられ、吸気マニホルド61の下流端は、内燃機関０の吸気ポート12に接続されている。
【００３０】
次に、図７を参照して、バルブ特性切換機構30およびバルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60の油圧制御系について説明する。
【００３１】
オイルポンプ71がクランクケースの底部のオイルパン72から油路Ｌ1を介して汲み上げたオイルは、内燃機関０のクランク軸３まわりや動弁機構の潤滑油として、またバルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60の動作油として油路Ｌ2に吐出される。油路Ｌ2から分岐して吸気側バルブ特性切換機構30に連通する油路Ｌ3には、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38の油圧を高低に切り換えるＯＮ／ＯＦＦソレノイドバルブよりなる第１油圧制御弁73が設けられる。また、油路Ｌ2から分岐してバルブ位相可変機構40に連通する油路Ｌ4には、進角室52および遅角室53の油圧を無段階に制御するデューティソレノイドバルブよりなる第２油圧制御弁74が設けられる。さらに、油路Ｌ4から分岐して吸気管長変更機構60に連通する油路Ｌ5には、通路切換回転弁67を連通または遮断状態に切り換えるＯＮ／ＯＦＦソレノイドバルブよりなる第３油圧制御弁75が設けられている。
【００３２】
また、吸気カム軸の位相を検出するカム軸センサＳ1からの信号、排気カム軸の位相に基づいてピストンの上死点を検出するＴＤＣセンサＳ2からの信号、クランク軸３の位相を検出するクランク軸センサＳ3からの信号、吸気負圧を検出する吸気負圧センサＳ4からの信号、冷却水温を検出する冷却水温センサＳ5からの信号、スロットル開度を検出するスロットル開度センサＳ6からの信号、内燃機関の回転数を検出する回転数センサＳ7からの信号が入力される制御手段としての電子制御ユニットＵは、バルブ特性切換機構30用の第１油圧制御弁73、バルブ位相可変機構40用の第２油圧制御弁74、および吸気管長変更機構60用の第３油圧制御弁75の動作を制御するようになっている。
【００３３】
次に、図１０を参照して、第２油圧制御弁74の構造を説明する。
【００３４】
第２油圧制御弁74は、円筒状のスリーブ76と、スリーブ76の内部に摺動自在に嵌合するスプール77と、スリーブ76に固定されてスプール77を駆動するデューティソレノイド78と、スプールをデューティソレノイドに向けて付勢するスプリング79とを備えている。電子制御ユニットＵからの指令で、デューティソレノイド78への電流量をデューティ制御することにより、スリーブ76に摺動自在に嵌合するスプール77の軸方向位置を無段階に変化させることができる。
【００３５】
スリーブ76には、中央の入力ポート80と、その両側に位置する遅角ポート81および進角ポート82と、それらの両側に位置する一対のドレンポート83とが形成されている。一方、スリーブ76に摺動自在に嵌合するスプール77には、中央グルーブ84と、その両側に位置する一対のランド85，86と、それらの両側に位置する一対のグルーブ87，88とが形成されている。入力ポート80はオイルポンプ71に接続され、遅角ポート81はバルブ位相可変機構40の遅角室53に接続され、進角ポート82はバルブ位相可変機構40の進角室52に接続されている。
【００３６】
以下、バルブ特性切換機構30の作用について説明する。
【００３７】
電子制御ユニットＵからの低リフト量および小開弁期間指令により、第１油圧制御弁73がオフし、オイルポンプ71からバルブ特性切換機構30の連結切換機構31に供給される油圧が低圧となると、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38に連なる油圧室36に油圧が低圧となり、第１、第２、第３切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力で図５に図示される連結解除位置に移動する。その結果、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は相互に切り離され、２個の低速用カム14にカムスリッパ171，191を当接させた第１、第３ロッカーアーム17，19により２個の吸気弁10が開閉駆動される。このとき高速用カム15にカムスリッパ181を当接させた第２ロッカーアーム18は、吸気弁10の動作には無関係に空動する。
【００３８】
電子制御ユニットＵからの高リフト量および大開弁期間特性指令により、第１油圧制御弁73がオンし、オイルポンプ71の油圧はバルブ特性切換機構30の連結切換機構31に供給され、さらに、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38から油圧室36に伝達される。その結果、第１、第２、第３切換ピン32，33，34が戻しスプリング35の弾発力に抗して連結位置に移動し、第１、第２切換ピン32，33によって、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19が一体的に連結されるため、高位部151の高さおよび角度範囲の大きい高速用カム15にカムスリッパ181を当接させた第２ロッカーアーム18の揺動が、それと一体に連結された第１、第３ロッカーアーム17，19に伝達されて２個の吸気バルブ10が開閉駆動される。このとき、低速用カム14の高位部141は第１、第３ロッカーアーム17，19のカムスリッパ171，191から離れて空動する。
【００３９】
それゆえ、バルブ特性切換機構30が低速特性に設定された時には、吸気弁10を低リフト量および小開弁期間で駆動し、バルブ特性切換機構30が高速特性に設定された時には、吸気弁10を高リフト量および大開弁期間で駆動することができる。
【００４０】
次に、バルブ位相可変機構40の作用について説明する。
【００４１】
内燃機関０の停止時に、バルブ位相可変機構40は遅角室53が最大容積になり、かつ進角室52の容積がゼロになった状態にあり、ロックピン47がカムスプロケット７のロック孔７3に嵌合して、最も遅角した状態に保持される。内燃機関０の始動によりオイルポンプ61が動作し、第２油圧制御弁74を介して進角室52に伝達される油圧が所定値を越えると、油圧によりロックピン47がロック孔73から離脱してバルブ位相可変機構40は動作可能な状態になる。
【００４２】
この状態から、デューティソレノイド78のデューティ比を、中立位置の設定値、例えば５０％より増加させると、図１０においてスプール77がスプリング79に抗して中立位置よりも左側に移動し、オイルポンプ71に連なる入力ポート80がグルーブ84を介して進角ポート82に連通するとともに、遅角ポート81がグルーブ87を介してドレンポート83に連通する。その結果、バルブ位相可変機構40の進角室52に油圧が作用するため、図６においてカムスプロケット７に対して吸気カム軸５が時計方向に相対回転し、吸気カム軸５のカム位相が進角側に連続的に変化する。そして、目標とするカム位相が得られたときに、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％に設定して第２油圧制御弁74のスプール77を図１０に示す中立位置に停止させ、入力ポート80を一対のランド85，86間に閉塞し、かつ遅角ポート81および進角ポート82をそれぞれランド85，86で閉塞することにより、カムスプロケット７および吸気カム軸５を一体化してカム位相を保持することができる。
【００４３】
吸気カム軸５のカム位相を遅角側に連続的に変化させるには、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％より減少させてスプール77を中立位置から右動させ、オイルポンプ71に連なる入力ポート80をグルーブ84を介して遅角ポート81に連通させるとともに、進角ポート82をグルーブ87を介してドレンポート83に連通させればよい。そして、目標とする位相が得られたときに、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％に設定してスプール77を図１０に示す中立位置に停止させれば、入力ポート80、遅角ポート81および進角ポート82を閉塞してカム位相を保持することができる。
【００４４】
このようにして、バルブ位相可変機構40でクランク軸３の位相に対して吸気カム軸５の位相を変化させることにより、吸気弁10の開閉時期を、吸気カム軸５の回転角の３０°の範囲に亘って無段階に進角および遅角することが可能となる。
【００４５】
さらに、吸気管長変更機構60の作用について説明する。
【００４６】
電子制御ユニットＵからの短管長指令により、第３油圧制御弁75がオフし、オイルポンプ71から吸気管長変更機構60の油圧アクチェータ（図示されず）への圧油供給が遮断されると、図８に図示されるように、切換制御弁67は開放されて、短管長通路66は連通状態となり、吸気チャンバー62内から短管長通路66，長管長通路65を介して吸気ポート12に吸気が流れ、吸気管長が短管長に設定される。そして電子制御ユニットＵからの長管長指令により第３油圧制御弁75がオンし、オイルポンプ71から吸気管長変更機構60の油圧アクチェータへ圧油が供給されると、図９に図示されるように、切換制御弁67は閉じられて、短管長通路66は遮断状態となり、吸気チャンバー62内から長管長通路65を介して吸気ポート12に吸気が流れ、長管長に設定される。
【００４７】
内燃機関０は、電子制御ユニットＵの制御信号により、図１１に図示されるような各運転領域毎にて、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40，吸気管長変更機構60がそれぞれ切替設定されるようになっている。
【００４８】
負荷率が８０％を越える高負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ未満の低中回転領域Ｘでは、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定され、次の負荷率が８０％を超える高負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上の高回転領域Ｙでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は遅角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定される。なお、負荷率が８０％を越える高負荷で、エンジン回転数が４００ｒｐｍ以上の高回転領域では、エンジン回転数が高くなるほど、バルブ位相可変機構40を遅角側に設定してもよい。
【００４９】
また、負荷率が８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ未満の低回転領域Ａでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定され、次の負荷率８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ以上で４０００ｒｐｍ未満の中回転領域Ｂでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定され、さらに次の負荷率８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上の高回転領域Ｃでは、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定される。
【００５０】
さらに、負荷率が小さく、かつエンジン回転数も低いハッチで示されたアイドル領域Ｄ（この領域では、内燃機関０の特性によって点線で図示されるような範囲に変化する）では、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は最遅角に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧまたは短管長ＳＨＯＲＴに設定される。
【００５１】
そして電子制御ユニットＵは、図１２に図示されるようなフローチャートに従って動作するように構成されている。
【００５２】
図１ないし図１１、図１３に図示の実施形態では、前記したように構成されているので、まず、ステップＳ1で負荷率が８０％を超えるか否か判断され、負荷率が８０％を超えれば、ステップＳ2に進み、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は進角に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧにそれぞれ設定される。その結果、各気筒内のガス交換が充分になされるとともに、エンジン回転数Ｎｅに対応した吸気脈動・吸気慣性効果が引出されて、充填効率が向上し、その回転領域での最高出力が得られる。
【００５３】
また、ステップＳ2で、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ以上であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は遅角、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴにそれぞれ設定され、高エンジン回転領域に対応して、吸気弁10が充分に開かれて各気筒内の充分なガス交換と吸気脈動・吸気慣性効果が得られて、充填効率が向上し、最高出力が得られる。
【００５４】
さらに、ステップＳ1で負荷率が８０％以下であれば、ステップＳ3に進み、各種センサの入力信号を基にしてアイドル領域Ｄか否か判断され、アイドル領域Ｄであれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は最遅角に設定されるので、ガス交換が充分になされて、内部ＥＧＲが最小限に減少する。このため、安定したアイドル運転が可能となる。
【００５５】
さらにまた、ステップＳ3で、アイドル領域Ｄでないと判断されると、ステップＳ4に進み、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍ未満か否か判断され、２０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定されるので、図１３の部分負荷低回転領域Ａに図示されるように、バルブオーバーラップが大きくなって内部ＥＧＲが大きく、かつ、エンジン回転数Ｎｅに対応した吸気脈動・吸気慣性効果が吸気量促進とは逆に働いて、吸気量が削減され、充填効率が低下する。この結果、絞り弁の絞りを緩和できるため、吸気のポンプ損失平均有効圧力が小さくなって、燃費が向上する。図１４の最上段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、部分負荷低回転領域Ａにて、吸気管長変更機構60を短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合のＢＤＣ近傍、特に吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角１０°直前の吸気圧力は、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の同じタイミングの吸気圧力に比べて低いので、絞り弁の絞り開度を狭くしなくても、この低回転領域Ａを維持でき、燃費を改善することができる。
【００５６】
また、ステップＳ4で、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍ以上であれば、ステップＳ5に進み、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ未満であるか否か判断され、４０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定されるので、図１３の部分負荷中回転域Ｂに図示されるように、バルブオーバラップが大きくなって内部ＥＧＲが大きく、しかも、吸気脈動・吸気慣性効果による吸気量促進とは逆に働いて、やはり吸気量が削減され、充填効率が低下する。このことは、図１４の中段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、部分負荷中回転領域Ｂにて、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の吸気圧力は、吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角１０°直前において短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合の吸気圧力に比べて低いことからも明らかである。従って、絞り弁をさらに絞らなくても、所要のエンジン回転数に制御することができ、吸気ポンプ損失平均有効圧力を減少させて、燃費を向上することができる。
【００５７】
さらに、ステップＳ5で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上であれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定されるので、図１３の部分負荷高回転領域Ｃに図示されるように、吸気弁10の開弁リフト量が低下して吸気量が削減される。そして、吸気脈動・吸気慣性効果が逆に働き、充填効率が低下するが、図１４の下段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角−１０°直前における吸気圧力は、吸気管長変更機構60を短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合に比べて、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の方が、低いことからも、これを裏付けすることができる。従って、絞り弁の絞りによらずに、所要のエンジン回転数制御を行なうことができて、燃費改善を達成することができる。
【００５８】
このように、図１ないし図１３に図示の実施形態では、負荷率８０％を超える高負荷運転状態では、吸気量が最大となるように、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60を調整制御することにより、内燃機関０の最大限の出力を発生させることができる。そして、負荷率が８０％以下の部分負荷運転状態では、絞り弁の絞りのみによらずに、吸気量が低下するように、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60を調整制御することにより、絞り弁の絞りによる吸気ポンプ損失を減少させて、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関の全体斜視図である。
【図２】 図１の２方向拡大矢視図である。
【図３】 図２の３−３線断面図である。
【図４】 図２の４−４線断面図である。
【図５】 図３の５−５線断面図である。
【図６】 図２の６−６線断面図である。
【図７】 バルブ特性切換機構の油圧回路図である。
【図８】 短管長に設定した吸気管長変更機構の縦断面図である。
【図９】 長管長に設定した吸気管長変更機構の縦断面図である。
【図１０】 第２油圧制御弁の縦断面図である。
【図１１】 エンジン回転数を横軸に負荷率を縦軸とした制御マップである。
【図１２】 吸気系統制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】 部分負荷の各回転領域における制御状態を図示した説明図である。
【図１４】 部分負荷の各回転領域における吸気圧変化状態を図示した吸気圧変化曲線である。
【符号の説明】
０…内燃機関、１…ピストン、２…コネクティングロッド、３…クランク軸、４…駆動スプロケット、５…吸気カム軸、６…排気カム軸、７，８…カムスプロケット、９…タイミングチェーン、10…吸気弁、11…排気弁、12…吸気ポート、14…低速用カム、15…高速用カム、16…ロッカーシャフト、17…第１ロッカーアーム、18…第2ロッカーアーム、19…第３ロッカーアーム、20…バルブステム、21…鍔部、22…シリンダヘッド、23…バルブスプリング、24…タペットねじ、25…段発付勢手段、26…リフタ、27…リフタスプリング、30…バルブ特性切換機構、31…連結切換機構、32…第１切換ピン、33…第２切換ピン、34…第３切換ピン、35…戻しスプリング、36…油圧室、37…連通路、38…油圧供給路、40…バルブ位相可変機構、41…ボス部材、42…ピン、43…ボルト、44…ハウジング、45…プレート、46…ボルト、47…ロックピン、48…スプリング、49…ベーン、50，51…シール部材、52…進角室、53…遅角室、54…進角用油路、55…遅角用油路、56，57…油路、58…スプリング、60…吸気管長変更機構、61…吸気マニホールド、62…吸気チャンバー、63…絞り弁、64…隔壁、65…長管長通路、66…短管長通路、67…切換制御弁、71，72…オイルポンプ、73…第１油圧制御弁、74…第２油圧制御弁、75…第３油圧制御弁、76…スリーブ、77スプール、78…デューティソレノイド、79…スプリング、80…入力ポート、81…遅角ポート、82…進角ポート、83…ドレンポート、84…グルーブ、85，86…ランド、87…グルーブ
【発明の属する技術分野】
本出願発明は、中低負荷運転領域における内燃機関の燃費向上を図った火花点火式内燃機関の吸気系統制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
火花点火式内燃機関のシリンダ容積を増大させることなく、大出力を図るために、従来では、内燃機関の吸排気弁の開閉動作特性、すなわち弁リフトおよび弁開角を段階的に制御するカム切換型の弁動作特性変更機構と、吸気系統の同調特性を変更する吸気管長変更機構とを併せ備えた火花点火式内燃機関があった（特開平４−９１３３１号公報参照）。
【０００３】
【解決しようとする課題】
前述した従来の火花点火式内燃機関では、低速から高速に亘り、各回転数領域に対応し、開弁期間および弁リフトを変えるとともに吸排気の動的効果を引き出して、吸入空気量を増加させることにより、出力の増大を図り、高負荷運転に充分に適用できるようになっているが、中低負荷の部分負荷運転状態では、絞り弁を絞ることにより、吸入空気量を抑制するようになっているため、部分負荷運転状態では、吸気のポンプ損失平均有効圧力が増大し、燃費が良くなかった。
【０００４】
本出願発明は、このような難点を克服した火花点火式内燃機関の改良に係り、請求項１記載の発明は、リフト量および開弁期間を低リフト量および小開弁期間で駆動する低速特性と、該低速特性より吸気弁のリフト量および開弁期間を高リフト量および大開弁期間で駆動する高速特性とを備えるバルブ特性切換機構と、吸気弁の開弁時期を進角または遅角してカム位相を変更するバルブ位相可変機構と、吸気チャンバーの一部と吸気マニホルドの上流部とを隔壁でもって、長管長通路と短管長通路に並列に分割し、前記短管長通路の上流部に切換制御弁を開閉自在に設け、前記吸気マニホルドの下流端を内燃機関の吸気ポートに接続し、吸気系統の同調特性を変更する吸気管長変更機構とを備えた火花点火式内燃機関であって、内燃機関の中低負荷で、エンジン回転数が低回転数の低回転領域にて、前記バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間の高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ、前記吸気管長変更機構は、短管長に設定され、内燃機関の中低負荷で、前記低回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の中回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ前記吸気管長変更機構は長管長に設定され、内燃機関の中低負荷で、前記中回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の高回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は低速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ吸気管長変更機構は長管長に設定されることを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項１記載のように発明を構成することにより、中低負荷の高速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁を左程絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下し、燃費向上が可能となる。
【０００７】
さらに、請求項１記載のように発明を構成することにより、中低負荷の低速運転領域では、前バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が短管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低減される結果、絞り弁を強く絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下する。
【０００８】
また、中低負荷の中速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁開度を狭くする必要がなくなって、吸気ポンプ損失が減少する。
【０００９】
さらに、中低負荷の高速運転領域では、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、吸気量が抑制されるとともに、前記バルブ位相可変機構が進角側に設定されて、内部ＥＧＲが増加し、かつ、前記吸気管長変更機構が長管長に設定されて、吸気脈動・吸気慣性が非同調化され、充填効率が低下するため、絞り弁を左程絞る必要がなくなって、吸気ポンプ損失が低下する。
【００１０】
このように、請求項２記載の発明では、低速から高速に亘る中低負荷運転状態において、いずれも吸気ポンプ損失が低いため、燃費の向上が可能となる。
【００１１】
また、請求項３記載のように発明を構成することにより、低負荷・低速運転領域において、前記バルブ特性切換機構が低リフト量および小開弁期間に設定されて、前記バルブ位相可変機構が遅角側に設定されて、吸・排気弁が共に開状態となるバルブオーバーラップ期間が小さくなり、内部ＥＧＲが減少するため、燃焼が安定化されて、低負荷・低速運転が安定して持続することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本出願発明の一実施形態を図１ないし図１３を参照して説明する。
【００１３】
車両に搭載される図示の内燃機関は、ガソリンを燃料とする火花点火式直列４気筒ＤＯＨＣ４バルブ内燃機関０である。図１に図示されるように、各ピストン１はコネクティングロッド２を介してクランク軸３に連結され、クランク軸３の軸端部に設けられたドライブスプロケット４と、吸気カム軸５および排気カム軸６の軸端部にそれぞれ設けられたカムスプロケット７，８とが、タイミングチェーン９を介して連結されていて、両カム軸５，６は、クランク軸３が２回転したとき１回転するように回転駆動されるようになっている。
【００１４】
また、各気筒には、吸気カム軸５により駆動される２個の吸気弁10と、排気カム軸６により駆動される２個の排気弁11とが設けられ、吸気カム軸５と吸気弁６との間には、それら弁10の弁開閉動作特性を変更しうる弁開閉動作特性変更機構、例えばリフト量および開弁期間を２段階に切換えるバルブ特性切換機構30が設けられ、また、吸気カム軸５において、カムスプロケット７が設けられた軸端部には、吸気弁10の開閉時期を無段階に進角または遅角してカム位相を変更する吸気弁開閉タイミング変更機構であるバルブ位相可変機構40が設けられ、さらに吸気弁10を解して各気筒にそれぞれ連通する吸気ポート12に吸気マニホルド61が接続され、該吸気マニホルド61に吸気系統の同調特性を変更する吸気同調特性変更機構である吸気管長変更機構60が内蔵され、以下、図２ないし図５を参照して、吸気弁10側のバルブ特性切換機構30の構造を説明する。
【００１５】
さらに、吸気カム軸５には、図２に図示されるように、各気筒に対応して一対の低速用カム14と、両低速用カム14に挟まれた高速用カム15とが設けられている。図２，図３に図示されるように、吸気カム軸５よりも下方において、吸気カム軸５と平行に固定されたロッカーシャフト16には、前記低速用カム14、高速用カム15、低速用カム14にそれぞれ対応して、第１ロッカーアーム17、第２ロッカーアーム18および第３ロッカーアーム19が揺動自在に支持されている。
【００１６】
さらにまた、図３に図示されるように、一対の低速用カム14は、吸気カム軸５の径方向に比較的小さい突出量で、その周方向に所定の角度範囲に渡って突出した高位部141と、ベース円部142とから構成されている。高速用カム15は、吸気カム軸５の径方向の突出量が低速用カム14の高位部141の突出量より大きく、かつ周方向の角度範囲が低速用のそれより広い高位部151と、ベース円部152とから構成されている。
【００１７】
しかも、吸気弁10のバルブステム20の上端には、鍔部21が設けられており、シリンダヘッド22および鍔部間に圧縮状態で装着されたバルブスプリング23によって、吸気弁10は閉弁方向に付勢されている。一端部がロッカーシャフト16に揺動自在に支持された第１、第３ロッカーアーム17，19は、その中間部に形成されたカムスリッパ171，191が一対の低速用カム14にそれぞれ当接し、その他端部には吸気弁10のバルブステム20の上端に当接するタペットねじ24がそれぞれ進退自在に設けられている。
【００１８】
そして、一対の吸気弁10間に配置され、その一端部がロッカーシャフト16に揺動自在に支持された第２ロッカーアーム18は、図４に図示されるように、シリンダヘッド22との間に圧縮状態で装着された弾発付勢手段25で付勢され、その他端部に形成されたカムスリッパ181が高速用カム15に当接する。前記弾発付勢手段25は、閉塞端を第２ロッカーアーム18に当接させた有底円筒状のリフタ26と、リフタ26を第２ロッカーアーム18に向けて付勢するリフタスプリング27とから構成されている。
【００１９】
また、図５に図示されるように、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19間の連結状態を切り換える連結切換機構31は、第３ロッカーアーム19および第２ロッカーアーム18間を連結し得る第１切換ピン32と、第２ロッカーアーム18および第１ロッカーアーム17間を連結し得る第２切換ピン33と、第１切換ピン32および第２切換ピン33の移動を規制する第３切換ピン34と、各切換ピン32，33，34を連結解除側に付勢する戻しスプリング35とを備えている。
【００２０】
さらに、第３ロッカーアーム19には、ロッカーシャフト16と平行な有底のガイド孔192がその開放端を第２ロッカーアーム18側にして形成されている。該ガイド孔192には第１切換ピン32が摺動自在に嵌合し、第１切換ピン32とガイド孔192の閉塞端との間に油圧室36が形成されている。また、第３ロッカーアーム19には油圧室36に連通する連通路37が形成され、ロッカーシャフト16内には油圧供給路38が形成されている。連通路37および油圧供給路38は、ロッカーシャフト16の側壁に形成された連通路39を介して、第３ロッカーアーム19の揺動状態にかかわらず常時連通するようになっている。
【００２１】
さらにまた、第２ロッカーアーム18には、ガイド孔192に対応する同一径のガイド孔182がロッカーシャフト16と平行に貫通して形成されており、このガイド孔182に第２切換ピン33が摺動自在に嵌合している。
【００２２】
しかも、第１ロッカーアーム17には、ガイド孔182に対応する同一径の有底円筒状のガイド孔172が、ロッカーシャフト16と平行かつ開放端を第２ロッカーアーム18側にして形成されており、該ガイド孔172に第３切換ピン34が摺動自在に嵌合している。第３切換ピン34に一体に形成された軸部341は、ガイド孔172の閉塞端に形成された案内部173に摺動自在に案内されている。戻しスプリング35は、第３切換ピン34の軸部341の外周に、ガイド孔172の閉塞端および第３切換ピン34間に圧縮状態で装着され、この戻しスプリング35の弾発力で３本の切換ピン32，33，34は連結解除側、すなわち油圧室36側に付勢されている。
【００２３】
また、油圧室に供給される油圧を解放すると、３本の切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力で連結解除側に移動し、この状態では第１切換ピン32および第２切換ピン33の当接面は、第３ロッカーアーム19および第２ロッカーアーム18間にあり、第２切換ピン33および第３切換ピン34の当接面は、第２ロッカーアーム18および第１ロッカーアーム17間にあり、したがって、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は非連結状態になっている。油圧室36に油圧を供給すると、３本の切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力に抗して連結側に移動し、第１切換ピン32がガイド孔182に嵌合し、第２切換ピン33がガイド孔172に嵌合して、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は一体に連結される。
【００２４】
次に、図２および図６を参照して、吸気カム軸５の軸端部に設けられたバルブ位相可変機構40の構造を説明する。
【００２５】
略円筒状のボス部材41の中心に形成した支持孔411が吸気カム軸５の軸端部に同軸に嵌合し、ピン42およびボルト43で相対回転不能に結合される。タイミングチェーン９が巻き掛けられるカムスプロケット７は、円形の凹部７1を有して略カップ状に形成されており、その外周にスプロケット歯７2が形成されている。カムスプロケット７の凹部７1に嵌合する環状のハウジング44と、さらにその軸方向重ね合わされたプレート45とが、それらを貫通する４本のボルト46でカムスプロケット７に結合される。したがって、吸気カム軸５と一体に結合されたボス部材41は、カムスプロケット７、ハウジング44およびプレート45によって囲まれた空間に相対回転可能に収納される。ボス部材41を軸方向に貫通するピン孔412にロックピン47が摺動自在に嵌合しており、このロックピン47はプレート45との間に圧縮状態で装着したスプリング48によって、カムスプロケット７に形成されたロック孔７3に係合する方向に付勢される。
【００２６】
また、ハウジング44の内部には、吸気カム軸５の軸線を中心とする扇状の凹部441が９０°間隔で４個形成されており、ボス部材41の外周から放射状に突出する４枚のベーン49が、３０°の中心角範囲で相対回転し得るように前記凹部441に嵌合している。４個のベーン49の先端に設けられた４個のシール部材50が凹部441の天井壁に摺動自在に当接し、かつハウジング44の内周面に設けられた４個のシール部材51がボス部材41の外周面に摺動自在に当接することにより、各ベーン49の両側に進角室52および遅角室53がそれぞれ区画される。
【００２７】
さらに、吸気カム軸５の内部には、進角用油路54および遅角用油路55が形成されており、進角用油路54はボス部材41を半径方向に貫通する４本の油路56を介して４個の進角室52にそれぞれ連通するとともに、遅角用油路55はボス部材41を半径方向に貫通する４本の油路57を介して４個の遅角室53にそれぞれ連通している。また、ロックピン47の頭部が嵌合するカムスプロケット７のロック孔７3は、図示されない油路を介していずれかの進角室52に連通している。
【００２８】
さらにまた、進角室52に油圧が供給されていないとき、ロックピン47の頭部はスプリング48の弾発力でカムスプロケット７のロック孔７3に嵌合し、図６に図示されるように、カムスプロケット７に対して吸気カム軸５が反時計方向に相対回転した最も遅角した状態にロックされる。この状態から進角室52に供給される油圧を高めてゆくと、いずれかの進角室52から伝達される油圧でロックピン47が、スプリング48の弾発力に抗してカムスプロケット７のロック孔７3から離脱するとともに、進角室52および遅角室53の油圧差でベーン49が押されることによりカムスプロケット７に対して吸気カム軸５が時計方向（図１においては、内燃機関０のクランク軸３の回転方向とは逆の反時計方向）に相対回転し、低速用カム14および高速用カム15の位相が一体的に進角して吸気弁10の開弁時期がともに進み側に変化する。したがって、進角室52および遅角室53の油圧を制御することにより、吸気弁10の開閉時期を無段階に変化させることができる。
【００２９】
吸気管長変更機構60が内蔵された吸気マニホルド61の上流端に吸気チャンバー62が接続され、該吸気チャンバー62に絞り弁63が絞り調整可能に設けられ、該吸気チャンバー62の一部と吸気マニホルド61の上流部とは隔壁64でもって、長管長通路65と短管長通路66で並列に分割され、短管長通路66の上流部に切換制御弁67が開閉自在に設けられ、吸気マニホルド61の下流端は、内燃機関０の吸気ポート12に接続されている。
【００３０】
次に、図７を参照して、バルブ特性切換機構30およびバルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60の油圧制御系について説明する。
【００３１】
オイルポンプ71がクランクケースの底部のオイルパン72から油路Ｌ1を介して汲み上げたオイルは、内燃機関０のクランク軸３まわりや動弁機構の潤滑油として、またバルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60の動作油として油路Ｌ2に吐出される。油路Ｌ2から分岐して吸気側バルブ特性切換機構30に連通する油路Ｌ3には、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38の油圧を高低に切り換えるＯＮ／ＯＦＦソレノイドバルブよりなる第１油圧制御弁73が設けられる。また、油路Ｌ2から分岐してバルブ位相可変機構40に連通する油路Ｌ4には、進角室52および遅角室53の油圧を無段階に制御するデューティソレノイドバルブよりなる第２油圧制御弁74が設けられる。さらに、油路Ｌ4から分岐して吸気管長変更機構60に連通する油路Ｌ5には、通路切換回転弁67を連通または遮断状態に切り換えるＯＮ／ＯＦＦソレノイドバルブよりなる第３油圧制御弁75が設けられている。
【００３２】
また、吸気カム軸の位相を検出するカム軸センサＳ1からの信号、排気カム軸の位相に基づいてピストンの上死点を検出するＴＤＣセンサＳ2からの信号、クランク軸３の位相を検出するクランク軸センサＳ3からの信号、吸気負圧を検出する吸気負圧センサＳ4からの信号、冷却水温を検出する冷却水温センサＳ5からの信号、スロットル開度を検出するスロットル開度センサＳ6からの信号、内燃機関の回転数を検出する回転数センサＳ7からの信号が入力される制御手段としての電子制御ユニットＵは、バルブ特性切換機構30用の第１油圧制御弁73、バルブ位相可変機構40用の第２油圧制御弁74、および吸気管長変更機構60用の第３油圧制御弁75の動作を制御するようになっている。
【００３３】
次に、図１０を参照して、第２油圧制御弁74の構造を説明する。
【００３４】
第２油圧制御弁74は、円筒状のスリーブ76と、スリーブ76の内部に摺動自在に嵌合するスプール77と、スリーブ76に固定されてスプール77を駆動するデューティソレノイド78と、スプールをデューティソレノイドに向けて付勢するスプリング79とを備えている。電子制御ユニットＵからの指令で、デューティソレノイド78への電流量をデューティ制御することにより、スリーブ76に摺動自在に嵌合するスプール77の軸方向位置を無段階に変化させることができる。
【００３５】
スリーブ76には、中央の入力ポート80と、その両側に位置する遅角ポート81および進角ポート82と、それらの両側に位置する一対のドレンポート83とが形成されている。一方、スリーブ76に摺動自在に嵌合するスプール77には、中央グルーブ84と、その両側に位置する一対のランド85，86と、それらの両側に位置する一対のグルーブ87，88とが形成されている。入力ポート80はオイルポンプ71に接続され、遅角ポート81はバルブ位相可変機構40の遅角室53に接続され、進角ポート82はバルブ位相可変機構40の進角室52に接続されている。
【００３６】
以下、バルブ特性切換機構30の作用について説明する。
【００３７】
電子制御ユニットＵからの低リフト量および小開弁期間指令により、第１油圧制御弁73がオフし、オイルポンプ71からバルブ特性切換機構30の連結切換機構31に供給される油圧が低圧となると、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38に連なる油圧室36に油圧が低圧となり、第１、第２、第３切換ピン32，33，34は戻しスプリング35の弾発力で図５に図示される連結解除位置に移動する。その結果、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19は相互に切り離され、２個の低速用カム14にカムスリッパ171，191を当接させた第１、第３ロッカーアーム17，19により２個の吸気弁10が開閉駆動される。このとき高速用カム15にカムスリッパ181を当接させた第２ロッカーアーム18は、吸気弁10の動作には無関係に空動する。
【００３８】
電子制御ユニットＵからの高リフト量および大開弁期間特性指令により、第１油圧制御弁73がオンし、オイルポンプ71の油圧はバルブ特性切換機構30の連結切換機構31に供給され、さらに、ロッカーシャフト16内の油圧供給路38から油圧室36に伝達される。その結果、第１、第２、第３切換ピン32，33，34が戻しスプリング35の弾発力に抗して連結位置に移動し、第１、第２切換ピン32，33によって、第１、第２、第３ロッカーアーム17，18，19が一体的に連結されるため、高位部151の高さおよび角度範囲の大きい高速用カム15にカムスリッパ181を当接させた第２ロッカーアーム18の揺動が、それと一体に連結された第１、第３ロッカーアーム17，19に伝達されて２個の吸気バルブ10が開閉駆動される。このとき、低速用カム14の高位部141は第１、第３ロッカーアーム17，19のカムスリッパ171，191から離れて空動する。
【００３９】
それゆえ、バルブ特性切換機構30が低速特性に設定された時には、吸気弁10を低リフト量および小開弁期間で駆動し、バルブ特性切換機構30が高速特性に設定された時には、吸気弁10を高リフト量および大開弁期間で駆動することができる。
【００４０】
次に、バルブ位相可変機構40の作用について説明する。
【００４１】
内燃機関０の停止時に、バルブ位相可変機構40は遅角室53が最大容積になり、かつ進角室52の容積がゼロになった状態にあり、ロックピン47がカムスプロケット７のロック孔７3に嵌合して、最も遅角した状態に保持される。内燃機関０の始動によりオイルポンプ61が動作し、第２油圧制御弁74を介して進角室52に伝達される油圧が所定値を越えると、油圧によりロックピン47がロック孔73から離脱してバルブ位相可変機構40は動作可能な状態になる。
【００４２】
この状態から、デューティソレノイド78のデューティ比を、中立位置の設定値、例えば５０％より増加させると、図１０においてスプール77がスプリング79に抗して中立位置よりも左側に移動し、オイルポンプ71に連なる入力ポート80がグルーブ84を介して進角ポート82に連通するとともに、遅角ポート81がグルーブ87を介してドレンポート83に連通する。その結果、バルブ位相可変機構40の進角室52に油圧が作用するため、図６においてカムスプロケット７に対して吸気カム軸５が時計方向に相対回転し、吸気カム軸５のカム位相が進角側に連続的に変化する。そして、目標とするカム位相が得られたときに、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％に設定して第２油圧制御弁74のスプール77を図１０に示す中立位置に停止させ、入力ポート80を一対のランド85，86間に閉塞し、かつ遅角ポート81および進角ポート82をそれぞれランド85，86で閉塞することにより、カムスプロケット７および吸気カム軸５を一体化してカム位相を保持することができる。
【００４３】
吸気カム軸５のカム位相を遅角側に連続的に変化させるには、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％より減少させてスプール77を中立位置から右動させ、オイルポンプ71に連なる入力ポート80をグルーブ84を介して遅角ポート81に連通させるとともに、進角ポート82をグルーブ87を介してドレンポート83に連通させればよい。そして、目標とする位相が得られたときに、デューティソレノイド78のデューティ比を５０％に設定してスプール77を図１０に示す中立位置に停止させれば、入力ポート80、遅角ポート81および進角ポート82を閉塞してカム位相を保持することができる。
【００４４】
このようにして、バルブ位相可変機構40でクランク軸３の位相に対して吸気カム軸５の位相を変化させることにより、吸気弁10の開閉時期を、吸気カム軸５の回転角の３０°の範囲に亘って無段階に進角および遅角することが可能となる。
【００４５】
さらに、吸気管長変更機構60の作用について説明する。
【００４６】
電子制御ユニットＵからの短管長指令により、第３油圧制御弁75がオフし、オイルポンプ71から吸気管長変更機構60の油圧アクチェータ（図示されず）への圧油供給が遮断されると、図８に図示されるように、切換制御弁67は開放されて、短管長通路66は連通状態となり、吸気チャンバー62内から短管長通路66，長管長通路65を介して吸気ポート12に吸気が流れ、吸気管長が短管長に設定される。そして電子制御ユニットＵからの長管長指令により第３油圧制御弁75がオンし、オイルポンプ71から吸気管長変更機構60の油圧アクチェータへ圧油が供給されると、図９に図示されるように、切換制御弁67は閉じられて、短管長通路66は遮断状態となり、吸気チャンバー62内から長管長通路65を介して吸気ポート12に吸気が流れ、長管長に設定される。
【００４７】
内燃機関０は、電子制御ユニットＵの制御信号により、図１１に図示されるような各運転領域毎にて、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40，吸気管長変更機構60がそれぞれ切替設定されるようになっている。
【００４８】
負荷率が８０％を越える高負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ未満の低中回転領域Ｘでは、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定され、次の負荷率が８０％を超える高負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上の高回転領域Ｙでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は遅角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定される。なお、負荷率が８０％を越える高負荷で、エンジン回転数が４００ｒｐｍ以上の高回転領域では、エンジン回転数が高くなるほど、バルブ位相可変機構40を遅角側に設定してもよい。
【００４９】
また、負荷率が８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ未満の低回転領域Ａでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定され、次の負荷率８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ以上で４０００ｒｐｍ未満の中回転領域Ｂでは、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定され、さらに次の負荷率８０％以下の部分負荷で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上の高回転領域Ｃでは、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は進角側に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定される。
【００５０】
さらに、負荷率が小さく、かつエンジン回転数も低いハッチで示されたアイドル領域Ｄ（この領域では、内燃機関０の特性によって点線で図示されるような範囲に変化する）では、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに設定されるとともに、バルブ位相可変機構40は最遅角に設定され、かつ、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧまたは短管長ＳＨＯＲＴに設定される。
【００５１】
そして電子制御ユニットＵは、図１２に図示されるようなフローチャートに従って動作するように構成されている。
【００５２】
図１ないし図１１、図１３に図示の実施形態では、前記したように構成されているので、まず、ステップＳ1で負荷率が８０％を超えるか否か判断され、負荷率が８０％を超えれば、ステップＳ2に進み、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は進角に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧにそれぞれ設定される。その結果、各気筒内のガス交換が充分になされるとともに、エンジン回転数Ｎｅに対応した吸気脈動・吸気慣性効果が引出されて、充填効率が向上し、その回転領域での最高出力が得られる。
【００５３】
また、ステップＳ2で、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ以上であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は遅角、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴにそれぞれ設定され、高エンジン回転領域に対応して、吸気弁10が充分に開かれて各気筒内の充分なガス交換と吸気脈動・吸気慣性効果が得られて、充填効率が向上し、最高出力が得られる。
【００５４】
さらに、ステップＳ1で負荷率が８０％以下であれば、ステップＳ3に進み、各種センサの入力信号を基にしてアイドル領域Ｄか否か判断され、アイドル領域Ｄであれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は最遅角に設定されるので、ガス交換が充分になされて、内部ＥＧＲが最小限に減少する。このため、安定したアイドル運転が可能となる。
【００５５】
さらにまた、ステップＳ3で、アイドル領域Ｄでないと判断されると、ステップＳ4に進み、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍ未満か否か判断され、２０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は短管長ＳＨＯＲＴに設定されるので、図１３の部分負荷低回転領域Ａに図示されるように、バルブオーバーラップが大きくなって内部ＥＧＲが大きく、かつ、エンジン回転数Ｎｅに対応した吸気脈動・吸気慣性効果が吸気量促進とは逆に働いて、吸気量が削減され、充填効率が低下する。この結果、絞り弁の絞りを緩和できるため、吸気のポンプ損失平均有効圧力が小さくなって、燃費が向上する。図１４の最上段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、部分負荷低回転領域Ａにて、吸気管長変更機構60を短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合のＢＤＣ近傍、特に吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角１０°直前の吸気圧力は、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の同じタイミングの吸気圧力に比べて低いので、絞り弁の絞り開度を狭くしなくても、この低回転領域Ａを維持でき、燃費を改善することができる。
【００５６】
また、ステップＳ4で、エンジン回転数Ｎｅが２０００ｒｐｍ以上であれば、ステップＳ5に進み、エンジン回転数Ｎｅが４０００ｒｐｍ未満であるか否か判断され、４０００ｒｐｍ未満であれば、バルブ特性切換機構30は高リフト量および大開弁期間Ｈｉに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定されるので、図１３の部分負荷中回転域Ｂに図示されるように、バルブオーバラップが大きくなって内部ＥＧＲが大きく、しかも、吸気脈動・吸気慣性効果による吸気量促進とは逆に働いて、やはり吸気量が削減され、充填効率が低下する。このことは、図１４の中段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、部分負荷中回転領域Ｂにて、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の吸気圧力は、吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角１０°直前において短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合の吸気圧力に比べて低いことからも明らかである。従って、絞り弁をさらに絞らなくても、所要のエンジン回転数に制御することができ、吸気ポンプ損失平均有効圧力を減少させて、燃費を向上することができる。
【００５７】
さらに、ステップＳ5で、エンジン回転数が４０００ｒｐｍ以上であれば、バルブ特性切換機構30は低リフト量および小開弁期間Ｌｏに、バルブ位相可変機構40は進角側に、吸気管長変更機構60は長管長ＬＯＮＧに設定されるので、図１３の部分負荷高回転領域Ｃに図示されるように、吸気弁10の開弁リフト量が低下して吸気量が削減される。そして、吸気脈動・吸気慣性効果が逆に働き、充填効率が低下するが、図１４の下段に図示された吸気圧力変化曲線で明らかなように、吸気弁10が閉じるＢＤＣを基準としたクランク角−１０°直前における吸気圧力は、吸気管長変更機構60を短管長ＳＨＯＲＴに設定した場合に比べて、吸気管長変更機構60を長管長ＬＯＮＧに設定した場合の方が、低いことからも、これを裏付けすることができる。従って、絞り弁の絞りによらずに、所要のエンジン回転数制御を行なうことができて、燃費改善を達成することができる。
【００５８】
このように、図１ないし図１３に図示の実施形態では、負荷率８０％を超える高負荷運転状態では、吸気量が最大となるように、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60を調整制御することにより、内燃機関０の最大限の出力を発生させることができる。そして、負荷率が８０％以下の部分負荷運転状態では、絞り弁の絞りのみによらずに、吸気量が低下するように、バルブ特性切換機構30，バルブ位相可変機構40および吸気管長変更機構60を調整制御することにより、絞り弁の絞りによる吸気ポンプ損失を減少させて、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関の全体斜視図である。
【図２】 図１の２方向拡大矢視図である。
【図３】 図２の３−３線断面図である。
【図４】 図２の４−４線断面図である。
【図５】 図３の５−５線断面図である。
【図６】 図２の６−６線断面図である。
【図７】 バルブ特性切換機構の油圧回路図である。
【図８】 短管長に設定した吸気管長変更機構の縦断面図である。
【図９】 長管長に設定した吸気管長変更機構の縦断面図である。
【図１０】 第２油圧制御弁の縦断面図である。
【図１１】 エンジン回転数を横軸に負荷率を縦軸とした制御マップである。
【図１２】 吸気系統制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】 部分負荷の各回転領域における制御状態を図示した説明図である。
【図１４】 部分負荷の各回転領域における吸気圧変化状態を図示した吸気圧変化曲線である。
【符号の説明】
０…内燃機関、１…ピストン、２…コネクティングロッド、３…クランク軸、４…駆動スプロケット、５…吸気カム軸、６…排気カム軸、７，８…カムスプロケット、９…タイミングチェーン、10…吸気弁、11…排気弁、12…吸気ポート、14…低速用カム、15…高速用カム、16…ロッカーシャフト、17…第１ロッカーアーム、18…第2ロッカーアーム、19…第３ロッカーアーム、20…バルブステム、21…鍔部、22…シリンダヘッド、23…バルブスプリング、24…タペットねじ、25…段発付勢手段、26…リフタ、27…リフタスプリング、30…バルブ特性切換機構、31…連結切換機構、32…第１切換ピン、33…第２切換ピン、34…第３切換ピン、35…戻しスプリング、36…油圧室、37…連通路、38…油圧供給路、40…バルブ位相可変機構、41…ボス部材、42…ピン、43…ボルト、44…ハウジング、45…プレート、46…ボルト、47…ロックピン、48…スプリング、49…ベーン、50，51…シール部材、52…進角室、53…遅角室、54…進角用油路、55…遅角用油路、56，57…油路、58…スプリング、60…吸気管長変更機構、61…吸気マニホールド、62…吸気チャンバー、63…絞り弁、64…隔壁、65…長管長通路、66…短管長通路、67…切換制御弁、71，72…オイルポンプ、73…第１油圧制御弁、74…第２油圧制御弁、75…第３油圧制御弁、76…スリーブ、77スプール、78…デューティソレノイド、79…スプリング、80…入力ポート、81…遅角ポート、82…進角ポート、83…ドレンポート、84…グルーブ、85，86…ランド、87…グルーブ
Claims (1)
- リフト量および開弁期間を低リフト量および小開弁期間で駆動する低速特性と、該低速特性より吸気弁のリフト量および開弁期間を高リフト量および大開弁期間で駆動する高速特性とを備えるバルブ特性切換機構と、
吸気弁の開弁時期を進角または遅角してカム位相を変更するバルブ位相可変機構と、
吸気チャンバーの一部と吸気マニホルドの上流部とを隔壁でもって、長管長通路と短管長通路に並列に分割し、前記短管長通路の上流部に切換制御弁を開閉自在に設け、前記吸気マニホルドの下流端を内燃機関の吸気ポートに接続し、吸気系統の同調特性を変更する吸気管長変更機構とを備えた火花点火式内燃機関であって、
内燃機関の中低負荷で、エンジン回転数が低回転数の低回転領域にて、前記バルブ特性切換機構が高リフト量および大開弁期間の高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構進角側に設定され、かつ、前記吸気管長変更機構は、短管長に設定され、
内燃機関の中低負荷で、前記低回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の中回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は高速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ前記吸気管長変更機構は長管長に設定され、
内燃機関の中低負荷で、前記中回転領域のエンジン回転数よりも大きなエンジン回転数の高回転領域にて、前記バルブ特性切換機構は低速特性に設定されるとともに、前記バルブ位相可変機構は進角側に設定され、かつ吸気管長変更機構は長管長に設定されることを特徴とする火花点火式内燃機関。
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