JP4742939B2

JP4742939B2 - エンジンの動弁装置

Info

Publication number: JP4742939B2
Application number: JP2006090842A
Authority: JP
Inventors: 明彦港
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007263036A

Description

本発明は、エンジンの吸気弁および排気弁を開閉時期を可変に駆動するエンジンの動弁装置に関するものである。

一般に、外気温が−２０℃程度などの冷間時に、車両のディーゼルエンジンを始動（冷間始動）させる場合、グロープラグやインテークヒータなどの昇温デバイスを用いて、冷間始動性を改善するようにしている。

ところで、エンジン始動時、始動が完了するまでは、エンジン内の燃料は燃焼されないため、その未燃成分が、車両のテールパイプなどから排出されてしまうという問題があった。

とくに、冷間始動時は、上述した昇温デバイスなどを用いたとしても、始動完了まで数十秒を要するため、その間、未燃燃料が排出され続けてしまう。

さらに、冷間始動では、後処理装置の触媒も活性温度に至っていないため、未燃成分（未燃燃料）は、後処理されることなく車両のテールパイプから排出されてしまう。

そこで、従来、排気弁を、開閉時期を可変に構成し、冷間始動時の排気行程中に、その排気弁を閉弁しておくことで、未燃成分の排出防止を図ることが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１のエンジンは、エンジンの始動時に、燃料室内に燃料が少なくとも１回噴射された後に、吸気弁と排気弁とを閉状態に保つようにしている。

また、特許文献２のエンジンは、エンジンの冷態始動時、排気行程において、吸気弁及び排気弁を共に閉じて燃焼室を密閉し、その密閉中の燃焼室内に燃料を噴射すると共に、排気上死点直後に吸気弁を開弁させるようにしている。

特開２００４−２３２５７７号公報特開２００４−１７６６０７号公報

しかしながら、特許文献２のエンジンでは、ポンピングロスが発生しまうという問題があった。

すなわち、特許文献２では、排気行程に吸気弁と排気弁との両方を閉弁するため、ピストンを上昇させるとシリンダ内の混合気を圧縮することになり、その後、吸気行程において吸気側へ高温高圧ガスを逃がすこととなるため、ポンピングロスが発生してしまう。このため、スターターモータは、多大な仕事量を行える大型かつ強力なものが必要となり、搭載性や燃費の悪化を招いてしまう。

一方、特許文献１では、混合気が着火するまでは、排気行程での混合気の圧縮ごとの熱損失（すなわち、シリンダ内壁面からの脱熱、冷却）があるため、シリンダ内の混合気温度が低下し続けて、着火性が悪化してしまう。また、新規に投入された燃料の気化潜熱によってもシリンダ内の混合気温度が低下することになり、極めて着火し難くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、冷間始動時における未燃成分の排出を抑制でき、かつポンピングロスの抑制を図ることができるエンジンの動弁装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの吸気弁および排気弁を、開閉時期を可変に駆動するようにしたエンジンの動弁装置において、上記吸気弁および上記排気弁の開閉時期を各々制御するための制御手段を備え、その制御手段は、上記エンジンの始動に際し、上記エンジンの燃焼室内の混合気が着火するまでは、排気行程のときに、上記排気弁を閉弁状態に保持すると共に上記吸気弁を開弁して、上記燃焼室内の未燃混合気を吸気系に逆流させ、かつ、上記排気行程のときに吸気系に逆流させた未燃混合気を、次の吸気行程のときに、上記吸気弁を開弁して上記燃焼室内に再吸入させると共に、その吸気行程のときの上記エンジンの燃料噴射量を低減させるものである。

好ましくは、上記制御手段は、上記燃焼室内の混合気が着火した後、上記吸気弁および上記排気弁の開閉制御を通常制御に移行するものである。

上記エンジンはディーゼル機関でもよい。

本発明によれば、冷間始動時における未燃成分の排出を抑制でき、かつポンピングロスの抑制とを図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のエンジンの動弁装置（以下、動弁装置という）は、例えば、車両のディーゼルエンジンなどに適用される。

まず、図１に基づき本実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）について説明する。

図１に示すように、エンジン４は、燃焼室２と、その燃焼室２に燃料を供給するための燃料噴射装置３と、燃焼室２の吸気口２１および排気口２２を各々開閉するための動弁装置１と、燃料噴射装置３や動弁装置１などを制御するためのエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）５とを備える。

燃焼室２は、シリンダヘッド４１の下面と、シリンダブロック４２に形成されたシリンダ４２１の内側面と、そのシリンダ４２１内を摺動するピストン４３の上面とにて区画形成される。その燃焼室２を区画するシリンダヘッド４１の下面には、吸気口２１と排気口２２が各々形成される。

吸気口２１は、燃焼室２の上方（図１では左上）のシリンダヘッド４１に形成された吸気ポート４１１に接続され、その吸気ポート４１１は、吸気マニホールドなどエンジン４の吸気通路に連通する（図示せず）。

排気口２２は、燃焼室２の上方（図１では右上）のシリンダヘッド４１に形成された排気ポート４１２に接続され、その排気ポート４１２は、排気マニホールドなどエンジン４の排気通路に連通する（図示せず）。

燃料噴射装置３は、燃焼室２に燃料を直接噴射するインジェクタ３１を有し、そのインジェクタ３１は、燃焼室２の上方のシリンダヘッド４１内に、吸気口２１と排気口２２との間に位置させて配置される。インジェクタ３１は、制御信号を通信可能にＥＣＵ５に接続され、そのＥＣＵ５により、燃料噴射量や燃料噴射時期が制御される。

動弁装置１は、吸気口２１を開閉するための吸気弁１１と、その吸気弁１１を開閉駆動するための吸気弁駆動装置１２と、排気口２２を開閉するための排気弁１３と、その排気弁１３を開閉駆動するための排気弁駆動装置１４とを備える。

本実施形態の動弁装置１は、吸気弁１１および排気弁１３を開閉時期を可変に駆動する。さらに、動弁装置１は、吸気弁１１および排気弁１３の開閉時期を各々制御するための制御手段を備える。その制御手段は、ＥＣＵ５にて構成される。

吸気弁１１は、シリンダヘッド４１に昇降自在に支持され、吸気弁駆動装置１２により昇降駆動される。

その吸気弁駆動装置１２は、吸気弁１１の開閉制御の自由度が高く、休止モードを持つものが好ましく、例えば、本願発明者らによる出願、国際公開第ＷＯ２００２／０７９６１４号パンフレットに記載された「内燃機関の動弁駆動装置」などが考えられる。

また、図示しないが、例えば、吸気弁駆動装置１２は、吸気弁１１を開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室と、その圧力室に高圧作動流体を供給することで吸気弁１１を開方向に作動させる作動流体供給手段と、圧力室から作動流体を排出することで吸気弁１１を閉方向に作動させる作動流体排出手段とを備えれたものでもよく、弁の開閉時期を可変に制御できるものであればよい。

排気弁１３は、シリンダヘッド４１に昇降自在に支持され、排気弁駆動装置１４により昇降駆動される。その排気弁駆動装置１４は、吸気弁駆動装置１２と同様に構成される。

それら吸気弁駆動装置１２および排気弁駆動装置１４は、制御信号を通信可能にＥＣＵ５に各々接続される。

詳しくは後述するが、ＥＣＵ５は、エンジン４の始動に際し、エンジン４の燃焼室２内の混合気が着火するまでは、排気行程のときに、排気弁１３を閉弁状態に保持すると共に吸気弁１１を開弁して、燃焼室２内の未燃混合気を吸気系（吸気ポート４１１など）に逆流させる。

さらに、ＥＣＵ５は、排気行程のときに吸気系に逆流させた未燃混合気を、次の吸気行程のときに、吸気弁を開弁して燃焼室２内に再吸入させると共に、その吸気行程のときのエンジン４の燃料噴射量を低減させる。

ここで、混合気が着火するとは、燃料の少なくとも一部が燃焼することを意味する。すなわち、本実施形態のＥＣＵ５は、噴射された燃料が、全く燃焼に至らない状態、つまり、未反応状態あるいは中間生成物にて反応が凍結された状態のときに、上述した排気行程中に排気弁１３を閉弁かつ吸気弁１１を開弁する制御を行う。

また、ＥＣＵ５は、燃焼室２内の混合気が着火した後は、吸気弁１１および排気弁１３を通常制御にて開閉制御する。

具体的には、本実施形態の動弁装置１は、上記シリンダ４２１内の混合気の着火（着火時期）を検出するための着火検出手段を備える。その着火検出手段は、例えば、シリンダブロック４２に取り付けられた筒内圧センサ１５からなり、その筒内圧センサ１５のセンシング部分が燃焼室２に臨んで配置される。

その筒内圧センサ１５は、筒内圧信号を送信可能にＥＣＵ５に接続され、ＥＣＵ５は、例えば、所定圧力を超える筒内圧信号が入力されたときに（混合気の着火を検出したときに）、吸気弁１１および排気弁１３の開閉制御を、エンジン４のクランク軸に同期した通常制御に移行する。

また、ＥＣＵ５には、エンジン４の吸気温度を検出する吸気温度センサ（図示せず）などからの検出値が入力されるようになっている。

次に、本実施形態の動弁装置１の作用を説明する。

本実施形態の動弁装置１は、冷間始動時に、未燃排出物を抑制すべく、排気行程において、排気弁１３の開弁を休止すると共に吸気弁１１を開弁する。

ここで、冷間始動であるか否かの判断は、例えば、ＥＣＵ５が、吸気温度を所定温度と比較して、所定温度以下のときに（吸気温度が低いときに）冷間始動であると判断する。

以下、動弁装置１の弁制御について詳細に説明する。

エンジン４の始動開始時、スタータなどにてエンジン４のクランク軸が回転駆動されると、ピストン４３が上下動して、サイクルが開始される。

まず、ＥＣＵ５は、１サイクル目の吸気行程では、通常の始動時と同様に、吸気弁駆動装置１２により吸気弁１１の開閉を行う。これにより、燃焼室２内に新気が吸入される。

次の圧縮行程では、ＥＣＵ５は、インジェクタ３１により燃焼室２内に燃料を噴射する。これにより、燃焼室２内には、噴射された燃料と吸入された新気との混合気が形成される。

さらに、ＥＣＵ５は、その燃焼室２内の混合気が、圧縮行程あるいは爆発行程（例えば、圧縮上死点の前後）において着火したか否かを、筒内圧センサ１５の検出筒内圧を基に判断する。具体的には、ＥＣＵ５は、検出筒内圧を所定圧力と比較し、所定圧力以下のとき着火しなかったと判断する。

圧縮行程あるいは爆発行程のときに混合気が着火していないと判断した場合、ＥＣＵ５は、排気行程では、排気弁駆動装置１４による排気弁１３の動作を休止して排気弁１３を閉弁状態に保持し、かつ吸気弁駆動装置１２により吸気弁１１を開弁する。

ここで、吸気弁１１の開度は、ポンピングロスを低減させるためには全開とすることが望ましいが、これに限定されず、例えば、半開などでもよい。

これにより、燃焼室２内の未燃混合気が、吸気口２１から吸気ポート４１１や吸気マニホールドなどの吸気系に逆流する。

さらに、ＥＣＵ５は、開弁された吸気弁１１を、次のサイクル（２サイクル目）の吸気行程まで開弁状態にて保持する。

その２サイクル目の吸気行程で、ピストン４３が下降すると、１サイクル目の排気行程で燃焼室２から逆流して吸気ポート４１１などに滞留していた未燃混合気は、燃焼室２内に再吸入される。

次に、２サイクル目の圧縮行程では、燃焼室２内に、未燃燃料を含んだ未燃混合気が既に存することから、ＥＣＵ５は、インジェクタ３１の燃料噴射量を制御して、通常時（１サイクル目）よりも少なくする。なお、燃料噴射量を０とすることも考えられる。

これにより、過度に燃料がシリンダ４２１内に供給されることが防がれる。なお、予混合気の場合、着火は温度律側となり、吸気温度が常温の場合には過早着火を招くが、冷間時においては圧縮端でしか着火に至らず、この点では問題にならない。

さらに、ＥＣＵ５は、１サイクル目と同様に、混合気（未燃混合気）が着火するか否かを判断する。

以上のプロセスを混合気が着火に至るまで繰り返すことで、排気側（排気系）に未燃成分が排出されることが防止される。

一方、ＥＣＵ５は、圧縮行程あるいは爆発行程のときに燃料が着火したと判断したとき（初爆を検知したとき）は、エンジン４が始動したので、通常制御（通常動作モード）に移行して、吸気弁１１および排気弁１３の開閉制御を行う。

このように本実施形態では、冷間始動時に、混合気が着火するまでは、排気行程のときに排気弁１３を閉弁状態にて保持するので、未燃成分（未燃排出物）の排出を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、排気行程のときに排気弁１３を閉弁保持した際に、吸気弁１１を開弁するので、ポンピングロスを抑制することができる。

つまり、例えば、排気行程のときに排気弁１３を閉弁保持した際に、吸気弁１１を開弁しない場合には、燃焼室２内の混合気を圧縮することになるので、その圧縮によるポンピングロスが生じてしまう。

これに対して、本実施形態では、排気行程のときに吸気弁１１を開弁するので、未燃混合気の圧縮が行われず、ポンピングロスを低減できる。

さらに、エンジンを始動させるスタータモータに高負荷がかからないので、スタータモータの大型化や燃費の悪化を防止できる。

また、上述した特許文献１のエンジンのように、排気行程で混合気を圧縮した場合、シリンダ４２１内の温度が上昇するので、この結果、シリンダ４２１内の混合気は、シリンダ４２１壁面との温度差が大きくなり、熱損失が増加しまう。

これに対して、本実施形態では、未燃混合気を圧縮しないので、熱損失が増加せず着火性も悪化しない。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

本実施形態の着火検出手段は、筒内圧センサ１５であるが、これに限定されず、着火検出手段は、例えば、ノックセンサなどでもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る動弁装置を示す。

符号の説明

１動弁装置
２燃焼室
４エンジン
５制御手段
１１吸気弁
１３排気弁
１１１吸気系（吸気ポート）

Claims

エンジンの吸気弁および排気弁を、開閉時期を可変に駆動するようにしたエンジンの動弁装置において、
上記吸気弁および上記排気弁の開閉時期を各々制御するための制御手段を備え、
その制御手段は、上記エンジンの始動に際し、上記エンジンの燃焼室内の混合気が着火するまでは、排気行程のときに、上記排気弁を閉弁状態に保持すると共に上記吸気弁を開弁して、上記燃焼室内の未燃混合気を吸気系に逆流させ、かつ、上記排気行程のときに吸気系に逆流させた未燃混合気を、次の吸気行程のときに、上記吸気弁を開弁して上記燃焼室内に再吸入させると共に、その吸気行程のときの上記エンジンの燃料噴射量を低減させることを特徴とするエンジンの動弁装置。
上記制御手段は、上記燃焼室内の混合気が着火した後、上記吸気弁および上記排気弁の開閉制御を通常制御に移行する請求項１記載のエンジンの動弁装置。
上記エンジンはディーゼル機関である請求項１または２記載のエンジンの動弁装置。