JP4335663B2

JP4335663B2 - ４サイクル往復動内燃機関

Info

Publication number: JP4335663B2
Application number: JP2003429239A
Authority: JP
Inventors: ライビージェームズ; アルベルトスタインロバート; ジョージラスステファン
Original assignee: フォードグローバルテクノロジーズ、リミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: DE10359267B4; US20040129254A1; JP2004211699A; US6886533B2; DE10359267A1

Description

本発明は、気筒当たり少なくとも二つの吸気弁を持ち、第１吸気弁の開放期間が固定（期間の長さが変更不能）であり、第２吸気弁の開放期間が可変（変更可能）であって、且つ、該両吸気弁の開閉作動時期（バルブ・タイミング）が可変制御可能な往復動内燃機関の制御システムに関する。

従来より、内燃機関の気筒内流動を強化するために、バルブ・タイミングのリタードと共に、筒内流動制御弁（charge motion control valve：以下、ＣＭＣＶと略称）が用いられる場合がある。しかし、このＣＭＣＶはエンジンのポンプ損失を増大させて、カム・タイミング可変システム（variable cam timing：以下、ＶＣＴと略称）により得られる燃料経済性の向上代を小さくする可能性がある。更に、全開位置にある際においてさえも、殆どの流動制御弁は、無視できない流量制限（動力損失と言い換えることが出来る）を生じることになる。このような損失があるために、流動制御弁の適用範囲は限られている。

本願の発明者は、吸気二弁システムにおいて、吸気弁の一方にカム切換の技術を適用出来るならば、ＣＭＣＶを必要とすることなしに、優れた筒内流動を得ることが出来るということを見出した。ここで用いられる「カム切換」という用語は、バルブの開閉期間、リフト量そしてバルブ・タイミング（位相）さえも制御し得るように、単一のバルブについて複数の選択可能なカム・ローブ（cam lobe）を設けることを意味する。

本願の発明者は更に、ピストン速度がピークに達し低下しつつある吸気行程の中間時点で第２吸気弁を開放するように該吸気弁の作動をリタード（遅角）させることで、より優れた効果が得られることを見出した。すなわち、第２吸気弁を開放期間及びリフト量の少ない状態で作動させるときには、第１吸気弁とは対照的に、その第１吸気弁が中間リフト位置又はその近くにある状態で、第２吸気弁を開放させる。このように、第１及び第２吸気弁のリフト時期の食い違いと、ピストン速度に対応する第２吸気弁の開放時期とが組み合わさって、吸気の殆どが第１吸気弁を通過するようになる。

そのように吸気が一方の吸気弁に偏るということは、他方の吸気弁を不作動にするのと同じことであり、このことが良好な筒内流動の生成に寄与する。すなわち、本発明のシステムにおいて、第２吸気弁はそこを通過する流量が制限されるように本質的に開弁期間が短く、且つリフト量の小さい状態で作動させられ、第１吸気弁を通過する空気量が多くなることで、筒内流動が優れたものとなり、燃料及び空気の混合が促進される。

また、カム・タイミング可変システム（ＶＣＴ）を用いていないホンダのエンジンシステムでは、筒内流動を強化し及び混合気の形成を促進するために、単一の吸気弁の開放期間を長期から短期へ、そしてリフト量を大から小へと切換えるようにしている（例えば特許文献１を参照）。
米国特許第４７７７９１４号明細書

しかし、前記ホンダのエンジンシステムは、吸気弁の作動をリタードさせておらず、第２吸気弁を通過する吸気流を、非常に短い開弁期間と小さなリフト量とによって機械的に制限するようにしなくてはならない。このため、エンジンの効率が損なわれる。

そこで、この発明では、４サイクル往復動内燃機関において、シリンダー内に往復動可能に配置されたピストンと、開放期間が固定で作動タイミングが可変の第１吸気弁と、開放期間、リフト量及び作動タイミングが可変の第２吸気弁と、を備えるものとする。そして、第１吸気弁の開放期間は標準的なものとし、一方、第２吸気弁の開放期間は、前記標準的な開放期間とそれよりも短い短縮開放期間とのいずれかに切替え可能とする。

第２吸気弁は、それが前記標準開放期間で動作しているか若しくは短縮開放期間で動作しているかに関わらず、エンジン・サイクルの同じ時点で閉じるようにするのが好ましい。更に、第２吸気弁が標準開放期間で動作しているときと、上記第２吸気弁が短縮開放期間で動作しているときとの両方において、上記第１吸気弁と上記第２吸気弁とが同じ時点で閉じるようにするのが好ましい。

また、第１吸気弁及び第２吸気弁の開放期間はリタードさせることが出来、そして、第２吸気弁は、ピストン速度が最大になるまで開放しないように、或いは、最大ピストン速度に到達した後でも暫くは開放しないように、開放期間を短くして動作させることが出来る。別の見方をすると、第２吸気弁が気筒の吸気行程における上死点後（ATDC）のクランク角度で約80度の時点で開放するような短い開放期間となるように、上記第１吸気弁及び第２吸気弁の開放時期を遅らせるのが好ましい。

前記第１吸気弁及び第２吸気弁は、共通のカムシャフトにより駆動するようにすることが出来、そのカムシャフトは、第２吸気弁を駆動するためのアクチュエーター若しくは駆動部を備え、更にカム・ローブ切換システム、を備えるものとすればよい。

本発明の別の観点によれば、第２吸気弁の短縮開放期間は、標準のリフト及び期間に比べて、バルブ・リフト量が約50%小さく、開放期間が20%短いのが好ましい。

本発明の別の観点によれば、往復動内燃機関の吸気弁を作動させる方法が、第１吸気弁を開放期間固定で作動させる工程と、第２吸気弁を開放期間及びリフト量を可変で作動させる工程と、上記第２吸気弁が作動させられる際の開放期間やリフト量に関わらず、上記第１吸気弁と第２吸気弁が同時に閉じられるように、それら両方のバルブ・タイミングを制御する工程と、を含む。

その方法は、部分負荷において、上記第２吸気弁が吸気行程の上死点後クランク角で約75度で開放し始めるように、上記第１吸気弁及び第２吸気弁の開閉作動タイミングを遅らせ、且つ、開放期間とリフト量を小さくして上記第２吸気弁を作動させる工程、を含むものとすることが出来る。この際、第１吸気弁は、上死点後クランク角で約30度の時点で開放させるようにすればよい。

本発明に係るシステム及び方法によれば、カム切換システムに付随するポンプ仕事の増大なしに、筒内流動を優れたものとすることができる。

また、アイドル及び低速運転時、乃至より一般的な部分負荷状態において大きな筒内流動が要求されるエンジンであっても、筒内流動制御弁（ＣＭＣＶ）は不要になる。

本発明に係るバルブ制御システムを備えたエンジンは、高い比出力が得られるだけでなく、部分負荷状態で優れた筒内流動を生じるものとなる。

他の効果については、本発明の目的及び特徴と共に、本明細書を読むことで明らかになろう。

図１に示されるように、本発明に係るエンジン（４サイクル往復動内燃期間）は、ピストン12を備えており、これがシリンダー18内で往復運動するようにコネクティング・ロッド14を介してクランクシャフト16に取り付けられている。シリンダー18には２つの吸気弁20，22が配設されている。吸気弁20は、第１吸気弁で、第１バルブ・ドライバー24により作動させられる。この第１バルブ・ドライバー24は、第１吸気弁20の開閉時期（作動タイミング）を変更するＶＣＴの機能を有するが、該第１吸気弁20の開放期間やリフト量を変更することは出来ない。一方、第２吸気弁22は第２バルブ・ドライバー26（第２吸気弁の駆動部）により駆動されるが、この第２バルブ・ドライバー26は、前記第１吸気弁20の場合と同様のＶＣＴの機能を有するだけでなく、第２吸気弁22の開放期間やリフト量を小さくすることも出来る。

なお、上記各バルブ・ドライバー24，26はそれぞれ別々のカムシャフトにより吸気弁20，22を駆動するものであってもよいし、共通のカムシャフトにより両方の吸気弁20，22を駆動するものであってもよい。或いは、カムシャフトを有しない電磁駆動方式のものであってもよい。また、上述の如きリフト量と開放期間の短縮は、上記特許文献１におけるようなシステムにより行なうことが出来る。他の適切なバルブ開閉調整システムもこの分野の当業者には公知で、本願明細書により示唆される。

制御器28は、前記第１バルブ・ドライバー24及び第２バルブ・ドライバー26を複数のセンサー30からの入力に基づいて制御する。これら複数のセンサー30は、例えばスロットル位置、冷媒温度、外気温度、点火時期、燃料噴射弁パルス幅、そして当業者に公知のものと本明細書により示唆される他のエンジン動作パラメーターを計測する。

図２は、本発明によるシステムの動作の特徴点を示している。前記図１には示されていない排気弁は、一般的な構造で一般的な動作をするものとすればよい。図の例では、第１吸気弁20の開閉作動状態は、クランク角で約250度の標準的な開放期間と約12 mmの標準的なリフト量とを持つように設定されている。一方、第２吸気弁22の作動状態は、第１吸気弁20の開放期間及びリフト量に等価な標準開放期間及びリフト量を持つと共に、少なくとも、第１吸気弁20の開放期間よりも短い（図の例ではクランク角で約200度）短縮開放期間と第１吸気弁の例えば50%である小さなリフト量（図の例では約6 mm）とを持つように設定されている。

図２に更に示されるように、第１吸気弁と第２吸気弁の開放期間は同時に終了するように設定されている。言い換えると、両吸気弁の開放期間は同じクランク位置（吸気タイミングがリタードしたこの動作状態では例えばATDC250度）で終了し、両方の吸気弁20,22は同時に閉じる。しかも、このことは、第２吸気弁22の開放期間が前記標準開放期間であるときでも、また、前記短縮開放期間であるときでも、同様に成立する。

図２に示される本発明の別の重要な点は、第２吸気弁22が開放期間の短縮した状態で動作しているときに、吸気行程の上死点後（ATDC）約75度で開放し始めることにある。すなわち、吸気行程のATDC 75度においてはピストン12は減速し始めたところであり、また、このとき（上死点後75度）には気筒内と吸気マニフォールドの圧力がほぼ等しいから、結果として、気筒への吸気充填が殆ど終了するまで第２吸気弁22は開放しないことになるので、重要である。

本発明の本質的な効果は、第１吸気弁20と第２吸気弁22とが圧縮行程の中盤（例えばATDC約270度）に同時に閉じることで、圧縮行程中にシリンダーから吸気マニフォールドへ制限されない逆流が生じ、その結果として吸気マニフォールド圧力が大きくなることから、エンジンへの吸気流量を所望のものとするためにスロットルがより大きく開放されて、これによりポンプ損失が低減される、ということである。

図３、４及び５は、本発明に係るシステム及び方法によって、カム・タイミングがクランク角で約40度リタードされた場合の、エンジン動作パラメーターについての効果を示している。図３について、「二段開閉」と示された本発明のシステムは、同じNOx排出レベル（BS NOx）において、ＣＭＣＶを持つエンジンよりも少ない燃料消費（BS FC）となることが示されている。これは、本発明における吸気弁22の開閉二段化とバルブ・タイミングのリタードとにより、燃焼速度とエンジン燃焼安定性への影響を打消すように、混合気希薄化と筒内流動が促進される結果である。

すなわち、本発明によれば、吸気弁の閉時期がよりリタードした状態でエンジンを運転することができ、そして、エンジンが目標負荷を得るためにより高い吸気マニフォールド圧で動作し、それによりポンプ仕事ひいてはエンジン燃料消費が低減される。また、増大した筒内流動とカム・タイミング・リタードの作用により混合気を希薄化（希釈化）することが出来るので、図示エンジン効率が向上し、結果として燃料経済性が更に向上する。

本発明の二段開閉制御の更なる効果は、ＣＭＣＶシステムと比較して、吸気行程の下死点後にシリンダーから吸気側に吸気が押し戻されるときの流通抵抗が減少することにある。この結果として、エンジンの仕事損失（ポンプロス）が低減され、効率が高くなる。最後に、バルブ・リフト量の減少がバルブを作動するのに必要なエネルギーを減少させ、そのことによっても燃料消費量が低減する。

図５は、正味NOx排出量（BS NOx）と最高トルクに対応する最小点火進角（minimum spark advance for best torque: MBT）の点火時期とを示している。同図によれば、ＣＭＣＶシステムと比較して、本発明の二段開閉システムがより大きな点火進角の可能性を持ち、それに付随して、より大きな燃料経済性向上の可能性を持つことが示されている。

図４は、本発明に係る吸気弁制御システム（二段開閉システム）を持つエンジンと、ＣＭＣＶを持つエンジンとからそれぞれ流出するフィードガス中の一酸化炭素（CO）量を示している。二段開閉システムのグラフにおける点Ａにおいて屈曲が生じており、気筒内における燃料及び空気の混合が促進されることによって、CO発生量（BS CO）が目立って下降していることに注意すべきである。

当業者であれば本明細書から判るように、第１バルブ・ドライバー24及び第２バルブ・ドライバー26は、例えば、当業者に公知で本明細書により示唆されるカム・タイミング可変システム（ＶＣＴ）を特許文献１に示されるカム・プロファイル切換システム（又はカム・ローブ切換システム）と組合わせて、両者の機能を併せ持つ単一のバルブ駆動システムとすることが出来る。

本発明は、特定の実施形態と関連付けて説明してきたが、当業者であれば、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、各種改良、変更及び適用をなし得る、ということが理解されるはずである。本発明は、請求項によってのみ、限定されることが意図される。

本発明によるマルチバルブ制御システムを持つエンジンの概略図である。本発明のシステムを持つエンジンの第１吸気弁及び第２吸気弁のリフト量を、排気弁のリフト量と共に示すグラフである。本発明のシステムの燃料消費量をＣＭＣＶシステムと対比させて示すグラフであり、燃料消費量がフィードガスの正味窒素酸化物レベルの関数としてプロットされている。本発明のシステムのフィードガスの一酸化炭素排出量をＣＭＣＶシステムと対比させて示すグラフである。本発明のシステムとＣＭＣＶシステムとについて、最良トルクのための最小点火進角量（MBT）をフィードガスの正味窒素酸化物レベルの関数として示すグラフである。

符号の説明

20 第１吸気弁
22 第２吸気弁

Claims

シリンダー内に往復動可能に配置されたピストンと、
開放期間が固定で作動タイミングが可変の第１吸気弁と、
開放期間、リフト量及び作動タイミングが可変の第２吸気弁と、
を備え、
上記第２吸気弁の開放期間が、上記第１吸気弁の開放期間と同じ長さの標準開放期間、又は、それよりも短い短縮開放期間のいずれかに切換えられるように構成されていて、
上記第２吸気弁が上記短縮開放期間で作動するときには、上記ピストンが最大速度に到達し、気筒内と吸気マニフォールドの圧力が等しくなる時期まで該第２吸気弁が開かず、且つそれが圧縮行程の下死点後クランク角で90度まで閉じないように、上記第１吸気弁及び第２吸気弁の作動タイミングがリタードされる、
４サイクル往復動内燃機関。
上記第２吸気弁が上記標準開放期間又は短縮開放期間のどちらで作動しているかに関わらず、上記第２吸気弁と上記第１吸気弁とがエンジン・サイクルの同じ時点で閉じるように構成されている、請求項１に記載の往復動内燃機関。
部分負荷状態において上記第２吸記弁が短縮開放期間で作動するときに、この第２吸気弁が吸気行程の上死点後クランク角で約75度の時点で開くように、上記第１吸気弁及び第２吸気弁の作動タイミングがリタードされる、請求項１又は２のいずれかに記載の往復動内燃機関。
上記第１吸気弁及び第２吸気弁は、カム・タイミング可変システムの備わる共通のカムシャフトによって駆動されるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の往復動内燃機関。
上記第１及び第２吸気弁がそれぞれ別々のカムシャフトを備えた駆動部により駆動され、
上記第２吸気弁の駆動部がカム・ローブ切換システムを更に有する、前記請求項１〜３のいずれか１つに記載の往復動内燃機関。
上記第２吸気弁の開放期間が、上記標準開放期間及びそれよりも約20%減少した短縮開放期間のいずれかに切換えられるように構成され、且つ、該第２吸気弁のリフト量が、上記標準開放期間では上記第１吸気弁のリフト量と等価になる一方、上記短縮開放期間ではそれよりも約30〜50%減少したリフト量となるように構成されている、前記請求項１〜５のいずれか１つに記載の往復動内燃機関。
４サイクル往復動内燃機関の吸気弁を作動させる方法であって、
開放期間を固定して、第１吸気弁を作動させる工程と、
開放期間及びリフト量を可変にし、開放期間については、上記第１吸気弁の開放期間と同じ長さの標準開放期間、又は、それよりも短い短縮開放期間のいずれかに切換えて、第２吸気弁を作動させる工程と、
上記第２吸気弁を上記短縮開放期間で作動させるときに、上記ピストンが最大速度に到達し、気筒内と吸気マニフォールドの圧力が等しくなる時期まで該第２吸気弁が開かず、且つそれが圧縮行程の下死点後クランク角で90度まで閉じないように、上記第１吸気弁及び第２吸気弁の作動タイミングをリタードさせる工程と、を有し、
上記第１吸気弁及び第２吸気弁の作動タイミングをリタードさせる工程では、第２吸気弁の開放期間及びリフト量に関わらず、第１吸気弁及び第２吸気弁の両方が略同時に閉じるように、該第１吸気弁及び第２吸気弁の作動タイミングを制御する、
方法。
部分負荷状態において上記第２吸気弁を上記短縮開放期間で作動させるとき、該第２吸気弁が吸気行程の上死点後クランク角で約75度の時点で開くように、上記第１吸気弁及び上記第２吸気弁の作動タイミングをリタードさせる、請求項７の方法。
部分負荷状態において上記第２吸気弁を上記短縮開放期間で作動させるとき、該第２吸気弁が吸気行程の上死点後クランク角で約75度の時点で開き始め、且つ、上記第１吸気弁が上死点後クランク角で約30度の時点で開き始めるように、上記第１吸気弁及び上記第２吸気弁の開放時期をリタードさせる、請求項７の方法。