JP4314595B2 - ６サイクル機関の排気触媒制御 - Google Patents

Description

本発明は、６サイクル機関の排気触媒の状態の制御に関するものである。

燃料供給装置を備え、混合気を供給する吸気ポートと、新気のみを供給する掃気ポートを備える予混合式６サイクル機関は知られている（例えば、特許文献１参照）。６サイクル機関の掃気ポートを省略し、掃気導入行程で排気バルブを開き、排気を導入する方法は知られており、燃費競技車両で使われ好成績を残している事実がある（例えば、非特許文献１参照）。

機関の運転状態によりバルブを駆動するカムを切換えて使用する可変バルブタイミング機構は種々のタイプのものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

連続可変バルブタイミング機構はスロットル弁の代用となるものであり、ポンピングロスが低減されることは知られている（例えば、特許文献３参照）。
実開平２−９６４３５ 公報 特開平５−１７９９１３ 公報 特開昭５５−１３７３０５ 公報Ｐ９からＰ10 自動車技術 ２００４年Ｖｏｌ．５８ Ｎｏ．１０ Ｐ２７

６サイクル機関の特徴は、掃気導入行程と掃気排気行程の存在により燃焼室の温度を低下させ、４サイクル機関に対して高い圧縮比を実現することにより燃費が向上することにある。特許文献１の６サイクル機関は、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサを安定作動させるために、排気ポートを燃焼ガスの排気用と掃気排気用の２つ備えた。しかし、実際には触媒のセンサの反応速度はそれほど早くなく、平均的な数値が感知されるので危惧するほどの問題ではなかった。逆に、燃焼室に残る燃焼ガスが掃気に混合するので、その燃焼ガスが後処理なく排出されてしまうことが問題となる。そこで、特許文献１で言うところの従来型６サイクル機関のように排気ポートは1つとし、排気と掃気排気のガスを全て触媒を通過させた上で排出することとし、そのことにより問題となる触媒の温度低下や酸素過多となる問題を、掃気ポートのバルブの開度調整によって制御しようとするものである。

排気ポートを1つとした場合、掃気が排気に混じることにより排気触媒の温度が低下し、触媒が活性化しにくいという問題が生じる。この問題に対しては、６サイクル機関の排気の保温に配慮することにより解決する。燃焼室ばかりでなく触媒を含めた排気ポート内壁も断熱材を多用し、排気ガスの温度維持に配慮することである。そのとき、排気触媒温度が高くなり過ぎる場合が生じるので、温度を調整するための冷却手段を確保すべきである。本発明はこの温度を調整するための適切な冷却手段を与えるものである。

同様に掃気を新気により構成した場合に触媒が酸素過多となり、触媒の還元作用が働かなくなる問題が生じる。その対策として、４サイクル機関では燃料噴射量を増やしたり、吸気に排気ガスを循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排出ガス再循環）システムを備えたりする手段が成立するが、６サイクル機関では燃焼に使われない掃気の存在により、これらの手段を単純に採用しただけではやはり酸素過多の問題が残る。また、この掃気の存在によりＥＧＲシステムが大きくなるという問題や、暖気に時間が掛かるという問題が生じる。

本発明において直噴式機関とは、ディーゼル機関のような圧縮着火機関と、ガソリンなどの燃料を気筒内に直噴する火花着火機関の総称である。また、第１および第２バルブは一般的には吸気および掃気ポートに設けられたスロットルバルブとしてのバタフライバルブやスライドバルブ等を言うが、本発明においては機関のクランク回転に対するバルブの開く角度やリフト量を連続的に制御する連続可変バルブタイミング機構を採用した吸気や掃気のポペットバルブも含まれる。第１および第２バルブをこのようなバルブとした場合、吸気や掃気のガス流入量を絞る場合にバルブ部での圧力低下が無くポンピングロスを削減することができるので、当該機構を採用した機関はより燃費効率の高いものとなる。

本発明の第１の課題解決手段は、吸気ポートに第１バルブと燃料供給装置を備え、掃気ポートに第２バルブを備え、これらのバルブはアクセル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作により第１バルブの開度と第２バルブの開度を相対的に変化させることのできる手段を備えたことを特徴とする予混合式６サイクル機関である。

第２の課題解決手段は、吸気ポートに第１バルブを備え、掃気ポートに第２バルブを備え、これらのバルブはアクセル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作により第１バルブの開度と第２バルブの開度を相対的に変化させることのできる手段を備え、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なシステムを備えたことを特徴とする直噴式６サイクル機関である。

第３の課題解決手段は、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なシステムを備えたことを特徴とする、第１の課題解決手段による６サイクル機関である。

第４の課題解決手段は、吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする、第１の課題解決手段による６サイクル機関である。

第５の課題解決手段は、吸気バルブが掃気導入行程のときにも開き、かつその掃気導入行程時のバルブ開角を変化させることの出来る連続可変バルブタイミング機構を備えたことを特徴とする、請求項２の６サイクル機関である。

第６の課題解決手段は、第１の課題解決手段から第５の課題解決手段の６サイクル機関のバルブ制御システムであって、排気触媒の温度を感知する手段を備え、排気触媒の温度により第１バルブと第２バルブの相対的な開度を制御するアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。

第７の課題解決手段は、排気バルブに可変バルブタイミング機構を備え、当該可変バルブタイミング機構は排気行程と掃気排気行程で排気バルブを開くノーマルモードと、排気行程と掃気導入行程と掃気排気行程で開く暖気モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする、請求項1から請求項５の６サイクル機関である。

第８の課題解決手段は、第７の課題解決手段の６サイクル機関の可変バルブタイミング機構のコンピュータを用いた制御システムであって、当該コンピュータは排気触媒の状態を感知する手段と、当該可変バルブタイミング機構のバルブ開角を変化させるアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。

第９の課題解決手段は、第２のバルブとは別に掃気ポートの上流に掃気ポートバルブを備え、当該掃気ポートバルブと第２バルブの中間に排気ポートから排気ガスを循環供給するポートを備えたことを特徴とする、第1の課題解決手段から第５の課題解決手段の６サイクル機関である。

第１０の課題解決手段は、第９の課題解決手段の６サイクル機関の掃気ポートバルブのコンピュータを用いた制御システムであって、当該コンピュータは排気触媒の状態を感知する手段と、第１バルブの開度を感知する手段と、掃気ポートバルブの開口量を変化させるアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。

本発明の第１の課題解決手段は、予混合式６サイクル機関の排気の温度の管理を行うことができる利点がある。例えば排気触媒の温度が低い場合には、第２バルブの開度を通常の負荷に対応した第１バルブの開度に対して相対的に開度を下げ、掃気の割合を減らす。必要な場合には第２バルブを閉じてしまう。それにより掃気の割合を減らし排気温度を高め、触媒温度を上げることが出来る。このことは暖気時の暖気時間の短縮にも効果があり、より早く触媒温度を高めることができる。また逆に排気触媒温度が高い場合には、第２バルブの開度を相対的に開くことにより、掃気の割合を増やし排気温度を下げ、触媒温度を下げることができる。このとき掃気導入行程での通路抵抗が減りポンピングロスが削減できる利点がある。吸気の量に影響する第1バルブと異なり、第２バルブの開閉は機関出力に大きな影響を与えないため、排気温度を制御するためにスロットルバルブに相当する第１バルブとは関連しながらも独立して開度を制御することが可能だからである。

本発明の第２の課題解決手段は、直噴式６サイクル機関の排気触媒が酸素過多となる問題を解決し、かつ排気の温度管理を行うことができる利点がある。排気触媒の温度管理の方法としては第１の課題解決手段と同様である。排気循環ガスは一般的に冷却されて掃気として利用される。吸気と掃気を区別せずに一様に循環ガスを混合するのと比較して、吸気の酸素濃度は変化しないため、燃料供給量はあまり減らさずに済むので、出力を下げることなく排気触媒の温度管理が行なえる利点がある。４サイクルのＥＧＲシステムとは異なり、基本的に掃気の全てを排気循環ガスに置き換えるので、循環ガス量は多くなるが構造は単純である。更に精密な排気触媒の酸素濃度については吸気と掃気に含まれる新気の量に対する燃料噴射量を調整することにより行う。必要であれば４サイクル機関と同様に更に吸気にも循環ガスを回す。

本発明の第３の課題解決手段は、第２の課題解決手段と同様に、予混合式６サイクル機関の掃気を排気循環ガスに置き換えることによって、出力をあまり下げずに排気触媒が酸素過多となる問題を解決することができる利点がある。

本発明の第４の課題解決手段は、６サイクル機関の最高出力を向上させることのできる利点がある。掃気導入時には掃気バルブのみが開き、新気を多く含む掃気を気筒内に導入し、吸気時には吸気ポートからは混合気が、掃気ポートからは掃気が導入され気筒内で混合される。吸気行程では、吸気ポートからの吸気のガス量と関係なく、吸気と掃気のガス量の合計に比例した燃料を含む濃厚の混合気を導入することにより、気筒内に適切な混合気を生成することができる。吸気バルブの面積は小さくすることができ、相対的に掃気バルブの面積は大きく取ることができる。そのため本課題解決手段を採用した予混合式機関は、掃気時のバルブ開口面積を２バルブの４サイクル機関の吸気バルブと匹敵する大きさとすることができ、更に出力に最も影響する吸気時には吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブからガスを導入することになるので、合計のバルブ開口面積は２バルブの４サイクル機関以上のものとすることができ、４サイクル機関以上の回転数を実現可能とするものである。バルブ面積が確保できることによって通路抵抗が下がりポンピングロスが削減できる効果もある。

本発明の第５の課題解決手段は、直噴式６サイクル機関の排気触媒の温度と酸素濃度管理を行うことができる簡単な構成の自己ＥＧＲシステムであり、外部ＥＧＲシステムと掃気系をコンパクトに出来る利点がある。乗用車などに使われる機関では最大出力で使われる機会は少ないので、最高出力時にまで必要な充分な大きさのＥＧＲシステムを備えることはあまり合理的なことではない。機関回転数が低い場合には主に掃気ポートから排気循環ガスを主体とした掃気を導入するが、機関回転数の高いところでは更に吸気バルブから新気を不足する分だけ導入する。このようにすることにより掃気ポートと掃気バルブをコンパクトに出来、その分吸気バルブや排気バルブを大きく取る事ができ、機関出力を向上させ、ポンピングロスを削減することができる。また排気循環ガスの設定量が少なくて済むことにより外部ＥＧＲシステム、特にその冷却系をコンパクトに出来る。一時的に高い機関出力を要求されたときには、より温度の低い新気を吸気バルブから導入し、燃焼室の温度を冷やす。機関が高出力で運転している場合であるので、排気触媒の温度が低くなりすぎることはない。一時的に酸素濃度が高くなることになるが機関出力が低くなったときに燃料を濃くすることにより触媒の状態を調整することが可能である。

本発明の第６の課題解決手段は、排気触媒の温度を感知して、それに対してアクチュエータを駆動することにより、第１バルブと第２バルブの相対的な開度を変えることにより、触媒の温度を自動的に適切に制御するシステムが得られる利点がある。

本発明の第７の課題解決手段は、掃気導入行程で排気ポートから燃焼室に直接大量の排気ガスを導入し、その量を可変とする内部ＥＧＲシステムを簡単な構成で実現することができる利点がある。また、制御システムと組み合わせることにより触媒の温度や酸素濃度を自動制御することが可能となる利点と、機関の暖気を早める利点がある。予混合式の４サイクル機関の吸気時に、大量の排気ガスを冷却せずに排気ポートから循環させれば、高温の排気ガスが混合気に直接触れバックファイヤーなどの障害を起こすものであるが、６サイクル機関の場合には排気に直接触れるのは燃料が含まれていない掃気であることにより可能となることである。

６サイクル機関では、掃気導入行程で掃気ポートから新気及び冷却した排気循環ガスで構成された掃気が導入され、燃焼室内部が冷却される。しかし圧縮比等は機関が常に正常に作動可能なように運転状態が限界的な場合に合わせて設定してあるので、コールド状態ではもちろんのこと、ある程度暖気された後においても、機関の温度や負荷やその継続時間などによっては掃気により冷却する必要性が低い場合もある。本課題解決手段は、このように必ずしも排気循環ガスを全て冷却する必要がない事情に鑑み、発明されたものである。

本発明の第８の課題解決手段は、排気触媒の温度や酸素濃度などの状態を感知して、掃気導入行程での排気ポートからの排気循環ガス量を自動制御して、触媒の状態を適切に保つシステムを得られる利点がある。

本発明の第９の課題解決手段は、掃気に対する外部ＥＧＲによる循環ガス量と新気の量を、第２バルブと掃気ポートバルブの開度を制御することにより簡単なシステムで変化させることが出来、自動制御システムと組み合わせることにより触媒の温度や酸素濃度を調整することが可能となる利点がある。中でも第５の課題解決手段との組み合わせた場合には、排気バルブからの内部EGRによる排気循環ガス量と掃気の量の比率を変化させることができ、機関の暖気を早める利点と、排気温度を精密に管理できる利点がある。

本発明の第１０の課題解決手段は、排気触媒の温度や酸素濃度などの状態を感知して、第２バルブと掃気ポートバルブの開度を自動制御することにより、掃気の中の外部ＥＧＲによる排気ガス循環量と新気の割合を調整することにより、触媒の温度や酸素濃度の状態を適切に保つシステムを得られる利点がある。

第１の課題解決手段を採用した多気筒予混合式６サイクル機関のシリンダーヘッドの１気筒部分をピストン側から見た平面図（実施例１） 同 側面図（実施例１） 第１及び第２バルブとしての連続可変バルブタイミング駆動システム図（実施例２） 第２の課題解決手段による直噴式６サイクル機関のＥＧＲシステム図（実施例３） 第４の課題解決手段による第１実施例の６サイクル機関のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図（実施例４） 第４の課題解決手段による第２実施例の６サイクル機関のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図（実施例５） 第５の課題解決手段による６サイクル機関のＥＧＲシステム図（実施例６） 同機関の吸気バルブの連続可変バルブタイミング駆動システム図（実施例６） 第７の課題解決手段による第１実施例の排気バルブ駆動カムシャフトの断面図（実施例７） 図９のカムのクランクの回転角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリフト量のグラフ（実施例７） 第７の課題解決手段による第２実施例の排気バルブ駆動システム図（実施例８） 第６、第８、第１０の課題解決手段を用いたバルブ制御システム図（実施例９） 第６の課題解決手段のアクチュエータ９３の制御フローチャート（実施例９） 第６の課題解決手段による第１バルブ開度に対する第２バルブ開度のマップ（実施例９） 第８の課題解決手段による排気バルブ制御マップ（実施例９） 第１０の課題解決手段による掃気ポートバルブ制御マップ（実施例９）

符号の説明

１ ６サイクル機関
１６ 燃料供給装置
１７ 点火プラグ
１８ 直噴インジェクター
２０ シリンダーヘッド
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ シリンダーヘッドに設けられたポペットバルブの嵌入部
２１ 吸気ポート
２２ 吸気バルブ
２３ 第１バルブ
２４ 第１バルブ開度センサ
３１ 排気ポート
３２ 排気バルブ
４１ 掃気ポート
４２ 掃気バルブ
４３ 第２バルブ
４３Ｂ 掃気ポートバルブ
５２ 回転数センサ
６３ 排気触媒
６８ 触媒センサ
８１、８２ レバー
８３、８４ ロッド
８５ リンク
９１，９１Ｂ アクチュエータ
９２ アクチュエータロッド
９３ 排気バルブアクチュエータ
９４ 掃気ポートバルブアクチュエータ
１１１ 循環ポート
１１２ 循環ガス冷却器
１２０ 吸気バルブタイミングカムシャフト
１２１，１２１Ｂ 吸気カム
１２３，１２３Ｂ，１３３，１４３ コントロールシャフト
１２４，１２４Ｂ，１４４ ロッド
１２６，１２６Ｂ，１３６，１４６ ロッカーアーム
１２６ＣＦ，１３６ＣＦ，１４６ＣＦ カムフォロワー
１２７，１３７，１４７ バルブリフター
１２７ＲＡ ラッシュアジャスター
１２７ＳＨ，１３７ＳＨ バルブリフターシャフト
１２８，１２８Ｂ，１４８ ロッカーアームシャフト
１２９，１２９Ｂ，１４９ ロッカーアームホルダー
１３０ 排気バルブタイミングカムシャフト
１３１ ノーマルカム
１３１Ｂ 排気カム
１３２ 暖気カム
１３２Ｂ 排気バルブの掃気カム
１３８ 偏心輪
１３９ スプリングピン
１４１ 掃気ノーマルカム
５１０ アクセルペタル
６１０ 制御用コンピュータ

６サイクル機関の排気ポートは1つとし、排気と掃気排気の全てを排気触媒を通過させることとし、排気触媒の温度低下の問題に対しては燃焼室及び排気系を断熱化し、掃気ポートのバルブの吸気ポートのバルブに対する相対開度の調整を行なうことにより温度管理を行なう。触媒が酸素過多となる問題に対しては、掃気の全てを排気循環ガスに置換するＥＧＲシステムにより、ＥＧＲシステムが大きくなる問題や暖気に時間が掛かる問題に対しては、排気バルブを掃気導入行程において開く自己ＥＧＲシステムにより解決した。

図１の多気筒機関予混合式６サイクル機関は、燃焼室に吸気バルブ２２と排気バルブ３２と掃気バルブ４２の３種のバルブを備えている。点火プラグ１７はこれらのバルブ面積を少しでも大きく取るように中心を外れて配置されている。吸気ポート２１と掃気ポート４１はそれぞれ独立しており、吸気ポート２１には燃料供給装置１６があり混合気が、掃気ポート４１からは新気である掃気が導入される。吸気ポート２１にはバタフライバルブである第１バルブ２３が、掃気ポート４１にも同一の形式の第２バルブ４３が、それぞれ独立して回転可能なシャフトに固定されている。

図２は、図１のシリンダーヘッド２０を図１の上方から見た側面図であり、その第１と第２バルブ制御機構のリンク周りの作動を示している。一般的に自動車などの移動体ではアクセルペタルを踏み込むことによって、もしくはスロットルグリップを回すことによって、搭載している内燃機関の吸気ポートにあるスロットルバルブを開く方向に連動して動作させる（図１２参照）。本実施例にも図示されていない同様の連動機構を備え、運転者の操作に対して、スロットルバルブに相当する第１バルブ２３を連動して動作する。更に第１バルブに対して、レバー８１、ロッド８３、リンク８５、ロッド８４、レバー８２を介して、第２バルブ４３が連動している。アクチュエータ９１は外部から排気温度などによりロッド９２の突き出し量を変えるように駆動される。排気触媒温度が適切な場合、アクチュエータ９１は（Ａ）図に示された状態にあり、第２バルブ４３は第１バルブ２３の開度と同一の開度となる。排気ガス温度検出値が高くなると（もしくは排気触媒温度が高くなると予想されると）（Ｂ）図に示すようにアクチュエータ９１が駆動されリンク８５の支点を支えているロッド９２を突き出す。その動きに伴いロッド８４は第２バルブ４３を２点鎖線の（Ａ）図の位置から開く方向に動作し、より多くの掃気を導入する。逆に排気ガス温度検出値が低くなると（もしくは排気触媒温度が低くなると予想されると）アクチュエータ９１のロッド９２が引っ込み、第２バルブ４３を第１バルブ２３に対して相対的に閉じ、より少ない量の掃気しか導入されないように作動する。

本発明の第１の課題解決手段において、アクセルペタルやスロットルグリップに連動するバルブを吸気ポートにある第１バルブ２３に限定するものでは無く、吸気ポートと掃気ポート全体に対して、一つのスロットルバルブを備え、その下流の吸気ポートか掃気ポートの片方にアクチュエータで開閉する別のバルブを備えた場合でも同様な効果があることは当業者にとっては自明なものである。また、リンク機構に変えて、直接第２バルブを動作するアクチュエータを備え、それを第１バルブの動きに連動するように電子制御により動かすものであっても良い。これらは第１の課題解決手段の発明概念に含まれるものである。

図３は、第１バルブとして吸気バルブに、第２バルブとして掃気バルブにそれぞれ連続可変バルブタイミング機構を採用した、第１の課題解決手段による６サイクル機関のバルブ駆動システムである。シリンダーヘッドは省略されている。吸気バルブ２２と掃気バルブ４２の大きさは等しく、手前が掃気バルブであり、本図ではこのバルブも含めて吸気系の可変バルブタイミング機構の構成部品（１２６〜１２９）は掃気系の構成部品と重なり合っている。掃気バルブや吸気バルブに連続可変バルブタイミング機構を採用した場合、バルブ部での圧力低下が無くポンピングロスを削減することができるので、吸気や掃気のガス流入量を絞るパーシャル領域でより燃費効率の高いものとなる。このポンピングロスの削減効果は予混合式機関ばかりでなく、直噴式機関でも効果がある。またポンピングロスを配慮しないですむので、燃焼速度の遅いリーン燃焼を用いる必要がなく、素早い燃焼が可能な点でも燃費向上に効果がある。

本実施例の吸気バルブ２２と掃気バルブ４２の連続可変バルブタイミング機構は、それぞれにクランク状のコントロールシャフト１２３、１４３を備え、実施例１と同様の２点鎖線で示したリンク機構（８５等）を備え、アクチュエータ９１によりバルブ開度を相対的に制御することができるものである。本実施例では両コントロールシャフトとカムシャフトは２点鎖線で表したシリンダーヘッド上面に位置している。排気触媒温度が適切な場合、アクチュエータ９１は本図の状態となり、吸気バルブ２２と掃気バルブ４２は比例するバルブ開口量となるようにリンク機構により連動して動作する。アクチュエータ９１は外部からロッド９２の突き出し量を変えるように駆動され、吸気バルブのバルブ開口量に対して掃気バルブの相対的開口量を調整する。

当該システムは共通のカムシャフト１２０に対して、それぞれのバルブ機構としてそれぞれのカム１２１，１４１が備えられ、それらのカムに対してカムフォロワー１２６ＣＦ，１４６ＣＦを備えたロッカーアーム１２６，１４６を備え、当該ロッカーアームの揺動運動に連動して揺動するバルブリフター１２７，１４７により、それぞれのバルブを押し開く。それぞれの連続可変バルブタイミング機構はそれぞれのコントロールシャフトの回転により、ロッド１２４，１４４を介してカムの回転方向にロッカーアームホルダー１２９，１４９ごと２点鎖線で示したシリンダーヘッドにより形成された円弧状のガイドに沿ってロッカーアームを移動することにより、カムの回転角に対するカムフォロワーの位置を変え、それぞれのバルブの開閉タイミングを変化させ、同時にバルブリフターに対する作用点の位置を変えることによりバルブリフト量を変化させる。

本実施例のカムシャフトは反時計回りに回転している。アクセルペタルを踏み込むことによって、搭載している内燃機関の第１バルブである吸気バルブのコントロールシャフト１２３を反時計回りに回転させ、バルブの開口量を大きくする方向に連動して回転する。本図の状態がアクセルを踏み込んだ状態に対応し、バルブのリフト量が最大となっている。アクセルを緩めるとコントロールシャフト１２３、１４３が図に対して時計周りに回転することにより、ロッカーアーム１２６，１４６が右に移動し、ロッカーアームの揺動中心であるロッカーアームシャフト１２８，１４８がバルブリフターとの作用点に近づきバルブリフトが減り、同時に開閉タイミングが早くなる。各バルブのポペットバルブ２２，４２のヘッド部分にはシリンダーヘッドに嵌入部２０Ａ，２０Ｂが設けられており、バルブヘッドが当該嵌入部にある場合開口面積が０になる構成になっており、バルブの開口面積が急速に開くようになっている。

本実施例の連続可変バルブタイミング機構はこのコントロールシャフト１２３，１２３Ｂの回転のみで開角とタイミングを同時に変化させることができ、ロッカーアームに掛かる力は対向しているのでほぼ打ち消しあい、支持トルクが小さくてすむのでスロットルバルブと同様に操作系に連動させて動作させることができる。電子制御を用いてアクチュエータで動作させる場合にも小さな駆動力のもので済む特徴がある。

図４は第２の課題解決手段による直噴式３バルブ６サイクル機関のＥＧＲシステムの概念図である。シリンダーヘッド２０はピストン側から見た図となっている。本実施例では排気ポート３１から掃気ポート４１への循環ポート１１１を有し、そこに排気ガスを冷却する冷却器１１２を備えている。掃気導入行程では掃気バルブ４２から冷却された排気循環ガスを掃気として導入し、吸気行程では吸気バルブ２２から新気を導入する。本実施例の第１バルブ２３及び第２バルブ４３の作動は実施例１と同様である。排気温度検出値が高いときは、第２バルブは第１バルブに対して相対的に開き、排気温度検出値が低いときは、第２バルブは第１バルブに対して相対的に閉じる。

本図のＥＧＲシステムを第１の課題解決手段による吸気ポートに燃料供給装置を備えた予混合式機関に採用したものが第３の課題解決手段による６サイクル機関である。

図５は第４の課題解決手段による予混合式６サイクル機関のシリンダーヘッド２０をピストン側から見た平面図である。本実施例では掃気バルブ４２と排気バルブ３２は大きく、吸気バルブ２２は相対的に小さくなっている。吸気ポートからは混合気が、掃気ポートからは基本的に新気が供給される。掃気導入行程では掃気バルブのみが開くが、吸気行程では吸気バルブと同時に掃気バルブも開き混合気と新気を導入する。吸気ポートには１回の爆発に必要な燃料が噴射されており、通常の機関の吸気と比べると濃い混合気となっており、吸気行程と圧縮行程の間に掃気バルブから導入された掃気と混合されシリンダー内を所定の混合気状態とする。本課題解決手段によれば、実施例１の機関のバルブ配置に比較して掃気バルブ面積を大きく設定することができ、特に出力に最も影響する吸気行程時のバルブ面積は吸気と掃気の２つのバルブの合計となるため４サイクル機関以上の面積となり、４サイクル機関と同等もしくはそれ以上の回転数を実現できるものである。図示されていないが本実施例でも第１と第２バルブが存在し、吸気に対する掃気の量を調整可能としている。

図６は第４の課題解決手段による５バルブのシリンダーヘッド２０をピストン側から見た平面図である。本実施例ではバルブサイズはほぼ等しいが、掃気バルブ４２が２つ、吸気バルブ２２は１つ、排気バルブ３２は２つとバルブの数で各バルブの合計面積に差を付けている。バルブのひとつひとつが小さいことにより、少ないリフト量で全開となるので機関回転数を高められる利点がある。

図７は、第５の課題解決手段による６サイクル機関のシリンダーヘッド２０をピストン側から見た平面図とそれを含めたシステム模式図である。本機関の掃気バルブ４２は排気バルブ３２、吸気バルブ２２より一回り小さく、排気バルブに隣接している。排気ポート３１から排気循環ガスを循環ポート１１１に備えた冷却器１１２で冷却して掃気ポート４１に導き、掃気バルブを通してそのガスを燃焼室に導入している。本実施例のＥＧＲシステムの容量は機関出力が高い場合には不足する設定となっており、その分ＥＧＲシステムはコンパクトになっている。機関出力が低い場合では掃気導入行程で吸気バルブは開かず、掃気バルブからのみ掃気を導入する。機関出力が高い場合には掃気ガス量が不足するので掃気導入行程で吸気バルブが開き、不足分の新気を燃焼室に導入する。つまり掃気導入行程で吸気バルブを開くのは一定以上の機関回転数とスロットルバルブ開度で、その開口量は最大出力付近で最大となる。掃気導入行程における吸気バルブの開口量を制御マップで表すと図１６のようになる。

図８は、本実施例の吸気バルブの連続可変バルブタイミング駆動システムを示している。本システムは図３のシステムに類似しているが、２つのロッカーアーム１４６、１４６Ｂの動きに対して作動角の大きい方のロッカーアームに追随する単一のバルブリフター１２７を備え、吸気バルブ２２のみを駆動する。コントロールシャフト１２３は第１バルブとしての吸気行程での吸気バルブの開口量を、コントロールシャフト１２３Ｂは吸気バルブの掃気行程での開口量を変化させる。本実施例ではコントロールシャフト１２３Ｂは１２３とリンク機構で連動しておらず、独立して駆動されるアクチュエータ９１Ｂにより動作している。

図９は、第７の課題解決手段による６サイクル機関の排気バルブの可変バルブタイミング機構のカムシャフト１３０の断面図である。本カムシャフトを含めた６サイクル機関の全てのバルブ駆動用カムシャフトはクランクが３回転する間に１回転する。本図のカムの１２時方向が爆発・膨張行程の開始のピストンが上死点となるポイントに対応し、本カムシャフトは反時計回りに回転する。カムシャフト１３０には２種のカムがあり、手前側にあるカムが排気バルブ駆動用のノーマルモード用のカム１３１（以下、ノーマルカムという。）であり、排気行程及び掃気排気行程でバルブが開くように設定されている。奥に見えているのが暖気モード用のカム１３２（以下、暖気カムという。）で、更に掃気導入行程でもバルブが開くように設定されている。

図１０は本実施例の排気バルブカムシャフトを用いた６サイクル機関のクランクの回転角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリフト量を示すグラフである。上のグラフの縦軸は排気バルブ設定加速度を表しておりバルブが開く方向の加速度を正としてある。下のグラフの縦軸は排気バルブのバルブリフト量を表し、横軸は共にクランクの回転角度を表している。１サイクル６行程でクランクは３回転するが、その内の第３行程である爆発・膨張行程の開始するピストンが上死点となるポイントを０°として、爆発・膨張、排気、掃気導入、掃気排気、吸気の第３行程から次のサイクルの第１行程までの全５行程のクランク角度として計９００°を１８０°を１目盛として表している。

点線はノーマルカム１３１の排気バルブの設定加速度とバルブリフトカーブを示している。バルブリフトカーブの最初と最後の部分にはわずかな傾きの直線で表された緩衝部がある。最初の緩衝部の終了ポイントでバルブの設定加速度によるバルブリフトが始まる。バルブの設定加速度は一定の加速度以下で連続するように設定されている。加速度が連続していることによりバルブリフトカーブは全体としては滑らかな曲線を描く。ノーマルカムは、排気行程も掃気排気行程も同様に最大バルブリフトの１／８のリフトのところでクランク角を見ると、下死点前３０°で始まり上死点後５°で終わる合計２１５°のカム山を持つ。

本実施例の暖気カム１３２の設定加速度とバルブリフトカーブは実線のように設定されている。暖気カムの排気行程におけるバルブ開角はノーマルモード用のカムと同一で、上死点付近のバルブとピストンのクリアランスはノーマルカムと同じである。しかし上死点を過ぎるとノーマルカムとは異なりバルブは着座せずに再度リフトを開始し、ノーマルモードの最大カムリフト量を超えたところで一旦リフト量が一定となる。ノーマルモードの掃気排気行程でのカムリフト最大ポイントに近づくと再度着座方向に加速し始め、バルブを着座させるまでノーマルカムに倣う形となる。このように暖気カムはノーマルカムに対して常にカムリフトが同じか大きい。これにより特許文献２のような単純な可変バルブタイミング機構を用いることが出来る特徴がある。

本実施例では２つのカム山間のバルブリフトの最小リフトポイントは掃気導入行程が開始した後のクランク角で上死点後２６．５°のポイントとなる。しかし、下死点ではピストンとバルブは離れているのでバルブは閉じる必要がなく、バルブリフト量を最大のまま維持することが出来るので、掃気導入行程におけるバルブ開口量は充分確保することができる上、掃気排気行程におけるバルブ開口量も増える。このバルブ開口量の増加はポンピングロスの削減に効果がある。

図１１は、第７の課題解決手段を採用した第２実施例の６サイクル機関の排気バルブ３２の連続可変バルブタイミング駆動システムである。シリンダーヘッドは省略してある。時計回りで回転するカムシャフト１３０に排気行程でバルブを開く排気カム１３１Ｂと、掃気導入行程と掃気排気行程で開く掃気カム１３２Ｂを備えており、掃気カムに対してのみ連続可変バルブタイミング機構が備えられている。ロッカーアーム１３６の支点となる偏心輪１３８はコントロールシャフト１３３とスプリングピン１３９により１体となり回転する。当該ロッカーアームの奥に排気カム用のロッカーアーム１３６Ｂがあり、その支点はコントロールシャフト１３３によって直接支持されているので、コントロールシャフトが回転しても支点は移動せず、ロッカーアーム１３６Ｂの揺動には変化が無い。これら２つのロッカーアーム１３６，１３６Ｂは共通のバルブリフター１３７を揺動させ、排気バルブ３２を開口する。なお、図示されていないがロッカーアームにはカムフォロワーをカムに押し付けるスプリングが備えられている。

本図は暖気状態であり、掃気導入行程での排気バルブの開口量が最大となるコントロールシャフトの回転角となっている。コントロールシャフトを時計回りに回転させることにより、カム１３２の回転方向にロッカーアームの支点位置を移動させることになり、カムの回転に対するタイミングを遅らせバルブの開閉時期を遅れる。同時にバルブリフターに対する作用点位置をバルブリフターシャフト１３７ＳＨから遠ざけることにより、バルブリフターの揺動が減り、バルブリフト量を減らす。このようにコントロールシャフトが本図から右回転することにより、掃気導入行程の間で開き掃気排気行程の終わりで閉じていた排気バルブが、徐々に開くポイントを遅らせ、掃気導入行程での開口量を減らして行く。この間、排気行程では同じタイミングでバルブが開閉している。

図１２は、第６、第８および第１０の課題解決手段を採用したバルブ制御システム図である。本実施例の６サイクル機関１は、第１バルブと第２バルブとして図３の連続可変バルブタイミング機構を備えた吸気バルブ２２と掃気バルブ４２を備え、更に第９の課題解決手段の掃気ポートバルブ４３Ｂを備えている。吸気ポートは掃気ポートの向こう側に有り、本図では図示されていない。排気バルブには図１１の連続可変バルブタイミング駆動システムが備えられている。排気ポートと掃気ポートの間には排気ガスを循環させるポート１１１が備えられており、そこには冷却器１１２が備えられている。

制御用コンピュータ６１０は、ドライバーの操作するアクセルペタル５１０に連動して作動する第１バルブのコントロールシャフトに取り付けられた第１バルブ開度センサ２４と、排気の温度と酸素濃度を感知する触媒センサ６８からの信号を受ける手段と、排気の状態により第１バルブと第２バルブの相対的な開度を制御するアクチュエータ９１を駆動する手段を備えている。触媒センサ位置はセンサの感知遅れと、排気ガス変化に対する触媒の状態変化の遅れがほぼ等しい位置に置かれており、センサの感知遅れの補正を物理的に行っている。更に制御用コンピュータ６１０は機関回転数を検知する回転数センサ５２を備え、バルブ４３Ｂの開閉動作をさせるアクチュエータ９４を駆動する機能を備え、掃気吸入時に排気循環ガスが不足する分の新気を掃気ポートに導入する。制御用コンピュータ６１０は、更に排気バルブのコントロールシャフトを回転動作させるアクチュエータ９３を駆動する機能を備えている。

図１３は本実施例のアクチュエータ９１の駆動制御をフローチャートで示したものである。暖気が済み、排気温度検出値が適切な値となればアクチュエータ９１は定常の位置にあり第１バルブと第２バルブは比例した開口量となるが、排気温度検出値が高いとき（もしくは排気触媒温度が高くなると予想されるとき）はロッドを押し出し、第２バルブの開口量を相対的に増やし、排気温度検出値が低いとき（もしくは排気触媒温度が低くなると予想されるとき）はロッドを引き、第２.バルブの開口量が減らす。本制御のロジックは単純なものであるので、必ずしもコンピュータ等によって制御する必要はない。例えば熱によって膨張する流体によりアクチュエータを駆動するシステムであっても制御することができる。

図１４は、本実施例の排気温度検出値に対する第１バルブ開度に対する第２バルブ開度をマップに表したものである。電子制御を行なう場合には、第２バルブが常に作動範囲内にあるように、このようなマップとなっている。

図１５は、本実施例の排気温度検出値に対する排気バルブ３２が開くタイミングを表した制御マップである。角度は、掃気導入行程終了点であるピストン下死点から何度手前で排気バルブ開くかをクランク角で表している。基本的に一定温度以下では掃気行程での開角を広げ、一定温度以上では徐々に開角を減らす。また第１バルブが閉じたときには掃気導入行程で排気バルブを開ける必要がないので、その場合も開角を減らす。開角が最低の場合でも掃気行程でのバルブリフト量を確保するため下死点後１０°で閉じる。コンピュータ６１０は当該マップで各検出値に対するアクチュエータ９３の作動目標値を算出し、適切な位置にアクチュエータを動作させる。本実施例では連続可変バルブタイミング機構を使用しているので、連続的にバルブ開度を変化させているが、図９のようなカムを切換る方式の可変バルブ機構では、第1バルブ開度と温度による１本のラインより上になると暖気カムからスタンタードカムに切換える。本実施例では酸素濃度の調整は燃料供給量を調整することにより行なっているが、排気バルブを掃気吸気時に開ける場合には排気が導入される分掃気の導入量が減ることを考慮して行なっている。

図１６は、本実施例の機関回転数検出値と機関トルクと対する掃気ポートバルブ４３Ｂの開度の制御マップである。制御用コンピュータ６１０は、まず、機関回転数検出値と第１バルブ開度検出値から機関トルクを推定する。次にこの機関トルクと機関回転数検出値から当該マップにより掃気ポートバルブの目標開度を読み取り、適切な位置にアクチュエータ９４を動作させる。基本的には供給可能な循環ガス量に対して掃気が不足する領域で掃気ポートバルブ４３Ｂを開き、不足分の新気を導入する。そのため、掃気ポート４１の圧力を感知して、圧力が低くなった場合に掃気ポートバルブを開く制御を行なっても同様である。制御用コンピュータ６１０は、触媒の酸素濃度が低く還元雰囲気になっている場合や、排気温度が高すぎる場合には新気の比率を高める方向、すなわち掃気ポートバルブを開ける方向に補正する。

６サイクル機関は燃費競技車で使用されたと伝えられ、その実績から燃費に対してのポテンシャルが高いことは示されてきたが、使われた機関の具体的内容が公開されておらず、反面、市場では４サイクル機関が技術的に完成されていることもあり、４サイクル機関に比べて同一回転数で爆発回数が少なく出力低下が予想されたことなどから、本格的に量産化に向けての検討がなされた形跡がない。しかし、実際に検討してみると、１）圧縮比が高められるので燃費効率が向上し、２）吸気時の燃焼室温度が４サイクル機関に対して低いので充填効率が向上し、３）吸気が開始されるときに燃焼室に残っているガスは掃気なので酸素が存在するのでその分燃料の濃い混合気の使用ができる、という理由から６サイクル機関の出力は同一の排気量の４サイクル機関にかなり近い出力を出せることが分かってきた。

更に、本発明の各課題解決手段により、懸念された触媒の状態を精密に制御する手段を確立でき、その結果、実用化する際の全ての懸念が解決された。すなわち本発明による６サイクル機関の利用可能性は、燃費の優れた内燃機関を必要とするすべての利用用途に対して存在する。

Claims (6)

1. 吸気ポートと掃気ポートを備えた（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の全６行程を持つ内燃機関（以下、６サイクル機関という。）であって、排気ポートから分離した循環ポートを掃気ポートに接続し、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なことを特徴とする６サイクル機関。
2. 吸気ポートに第１バルブを備え、掃気ポートに第２バルブを備え、これらのバルブはアクセル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作により第１バルブの開度と第２バルブの開度を相対的に変化させることのできる手段を備えたことを特徴とする、請求項１の６サイクル機関。
3. 直噴式６サイクル機関であって、吸気バルブが掃気導入行程のときにも開き、かつその掃気導入行程時のバルブ開角を変化させることの出来る連続可変バルブタイミング機構を備えたことを特徴とする、請求項２の６サイクル機関。
4. 請求項２又は請求項３の６サイクル機関のバルブ制御システムであって、排気触媒の温度を感知する手段を備え、排気触媒の温度により第１のバルブと第２のバルブの相対的な開度を制御するアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システム。
5. 第２のバルブとは別に掃気ポートの上流に掃気ポートバルブを備え、当該掃気ポートバルブと第２バルブの中間に排気ポートから排気ガスを循環供給する循環ポートの接続部を備えたことを特徴とする、請求項２又は請求項３の６サイクル機関
6. 請求項５の６サイクル機関の掃気ポートバルブのコンピュータを用いた制御システムであって、当該コンピュータは排気触媒の状態を感知する手段と、第１バルブの開度を感知する手段と、掃気ポートバルブの開口量を変化させるアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システム

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