JP4831373B2

JP4831373B2 - 可変動弁装置付エンジン

Info

Publication number: JP4831373B2
Application number: JP2009039237A
Authority: JP
Inventors: 真一村田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: JP2010196490A; CN101813013B; US20100212618A1; US8171901B2; KR101442299B1; DE102010008758B4; CN101813013A; KR20100096024A; DE102010008758A1

Description

本発明は、吸気カムの位相を変更可能なカム位相可変機構を備えたエンジンに関するものである。

従来より、吸排気バルブの開閉時期（カムの位相）を変化させるカム位相可変機構を備えた可変動弁装置付エンジンが知られている。更に、１つの気筒に吸気バルブが複数備えられたエンジンに上記カム位相可変機構を採用し、エンジンの負荷及び回転速度に応じて複数の吸気バルブの一部のみ開閉時期を変化させる技術が開発されている。
このように複数の吸気バルブのうち一部のみ開閉時期を可変するエンジンでは、例えば高回転高負荷時に、一部の吸気バルブの開閉時期を遅角させることで、遅角制御しない吸気バルブと合わせて吸気バルブの開弁期間を延長し、吸気の流入量を増加させて出力を確保する。一方、始動時のように低回転高負荷時には圧縮比が確保されるように、吸気バルブの遅角を制限する（特許文献１）。

特開平３−２０２６０２号公報

上記特許文献１に記載のエンジンでは、始動時に吸気バルブの遅角が制限されることで複数の吸気バルブの開弁時期が同一となるので、燃焼室内で吸気流が干渉し合いスワールが抑制される。したがって、燃焼性が低下し排気性能が低下する虞がある。
本発明の目的は、始動時にスワールを確保して排気性能を向上させる可変動弁装置付エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、１つの気筒に第１の吸気カムにより駆動する第１の吸気バルブと第２の吸気カムにより駆動する第２の吸気バルブとを備え、第２の吸気カムの位相を可変するカム位相可変機構を備えた可変動弁装置付エンジンにおいて、始動時に第２の吸気バルブの開弁時期が第１の吸気バルブの開弁時期より進角し、所定の低負荷時に第２の吸気バルブの開弁時期が第１の吸気バルブの開弁時期より遅角するように、カム位相可変機構を制御する制御手段を備え、第２の吸気カムは、第１の吸気バルブの開弁期間より第２の吸気バルブの開弁期間が短くなるように設定されることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、制御手段は、始動時に第２の吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするようにカム位相可変機構を制御することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２において、制御手段は、所定の低負荷時に吸気バルブの開弁期間が第１の吸気バルブの開弁時期から第２吸気バルブの閉弁時期までの期間になるようにカム位相可変機構を制御することを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置付エンジンによれば、始動時に第２の吸気バルブの開弁時期が第１の吸気バルブの開弁時期より進角するので、吸気バルブの開弁期間の初期に第２の吸気バルブのみ開弁してスワールが生成される。したがって、始動時に燃料の気化や空気との混合が促進され、燃焼性が向上し排気性能を向上させることができる。
更に、吸気バルブの開弁期間後期に片側開弁期間が設けられるため、スワールが強化されて、燃料の気化や空気との混合がより促進され、燃焼性を向上させることができる。
本発明の請求項２の可変動弁装置付エンジンによれば、オーバーラップによる排気の吹き返しにより、吸気温度が上昇することで、燃料の気化が進み良好な燃焼が図られるとともに、吸気温度の上昇に伴う排気温度の上昇により、排気浄化触媒の迅速な昇温が図られるので、排気性能をより向上させることができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置付エンジンによれば、所定の低負荷時に吸気バルブの開弁期間が第１の吸気バルブの開弁時期から第２吸気バルブの閉弁時期までの期間になるので、カム位相可変機構により第２の吸気カムの位相を可変させて第２の吸気バルブの閉弁時期を遅角させることで、吸気バルブの開弁期間を増加させることができる。よって、低負荷時にポンピングロスを低下させて、燃費を向上させることができる。

本実施形態の可変動弁装置付エンジンの概略構成図である。バルブ及びポートの配置を示す参考図である。動弁機構の構造を示す縦断面図である。動弁機構の構造を示す上面図である。第２の吸気カムの取付部の構造を示す断面図である。吸気バルブのリフト量を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低負荷時、（Ｂ）は高回転高負荷時、（Ｃ）は始動時を示す。スワールを示す参考図であり、（Ａ）は始動時の片側開弁期間の吸気工程の初期時、（Ｂ）は始動時の片側開弁期間の圧縮工程を示す。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態の可変動弁装置付エンジン１の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、ＤＯＨＣ式の動弁機構を有しており、エンジン１の吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の前端には、夫々カムスプロケット４、５が接続され、これらのカムスプロケット４、５はチェーン６を介してクランクシャフト７に連結されている。クランクシャフト７の回転に伴ってカムスプロケット４、５と共に吸気シャフト２及び排気カムシャフト３が回転駆動され、この吸気カムシャフト２に備えられた吸気カム１０、１１により吸気バルブ１２、１３が、排気カムシャフト３に備えられた排気カム１４、１５により排気バルブ１６、１７が開閉駆動される。また、エンジン１の燃焼室１８はペントルーフ型の形状をしている。

図２は、エンジン１の各バルブ及びポートの配置を示す参考図である。
図２に示すように、エンジン１の１つの気筒には、２つの吸気バルブ（第１の吸気バルブ１２、第２の吸気バルブ１３）と２つの排気バルブ１６、１７とが設けられている。第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３は燃焼室１８の中央部ｃより図中右側に前後に並んで配置される一方、２つの排気バルブ１６、１７は燃焼室１８の中央部ｃより図中左側に前後に並んで配置される。

また、エンジン１の吸気ポート１９は、燃焼室１８の右側斜め上方から燃焼室１８に向かって延び、燃焼室１８の直前で分岐して第１の吸気バルブ１２が開閉する弁孔と第２の吸気バルブ１３が開閉する弁孔に連通する。
更に、エンジン１の第２の吸気バルブ１３の動弁機構には、吸気カム１１の位相を可変するカム位相可変機構２０が備えられている。

図３〜図５は、動弁機構の構造図であり、図３は縦断面図、図４は上面図、図５は第２の吸気カム１１の取付部の構造を示す断面図である。
図３〜５に示すように、吸気カムシャフト２は、中空状の第１の吸気カムシャフト２１と第１の吸気カムシャフト２１に挿入された第２の吸気カムシャフト２２とを備えた２重構造となっている。第１の吸気カムシャフト２１及び第２の吸気カムシャフト２２は、隙間を有しつつ同心上に配置され、エンジン１のシリンダヘッドに形成された支持部２３に回動可能に支持されている。第１の吸気カムシャフト２１には、第１の吸気バルブ１２を駆動する第１の吸気カム１０が固定されている。また、第１の吸気カムシャフト２１には回動可能に第２の吸気カム１１が支持されている。第２の吸気カム１１は、第１の吸気カムシャフト２１が挿入される略円筒状の支持部１１ａと支持部１１ａの外周から突出し第２の吸気バルブ１３を駆動するカム部１１ｂとから構成されている。第２の吸気カム１１と第２の吸気カムシャフト２２とは固定ピン２４により固定されている。固定ピン２４は、第２の吸気カム１１の支持部１１ａ、第１の吸気カムシャフト２１及び第２の吸気カムシャフト２２を貫通しており、第２の吸気カムシャフト２２に設けられた孔に略隙間なく挿入されるとともに、両端部がかしめられて支持部１１ａに固定されている。第１の吸気カムシャフト２１には固定ピン２４が通過する長孔２５が周方向に延びて形成されている。

第１の吸気カムシャフト２１の一端部には、カム位相可変機構２０が備えられている。カム位相可変機構２０は、公知のベーン式カム位相可変機構であって、カムスプロケット４と一体化したハウジング３０内にベーンロータ３１が回動可能に設けられ、そのベーンロータ３１に第２の吸気カムシャフト２２をボルト３２にて締結して構成されている。
また、カム位相可変機構２０には、スプリング３６が備えられている。スプリング３６は、ハウジング３０とベーンロータ３１との間に設けられ、ベーンロータ３１を進角方向に付勢する。したがって、第２の吸気カム１１を進角方向に付勢する。

カム位相可変機構２０には、第１の吸気カムシャフト２１及び支持部２３に形成された油路３３を介してオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）３４が接続されている。図１に示すように、カム位相可変機構２０は、エンジン１のオイルポンプ３５からＯＣＶ３４の切換に応じてベーンロータ３１とハウジング３０との間に形成された油室に作動油が供給されてベーンロータ３１を回動することで、カムスプロケット４に対する第２の吸気カムシャフト２２の位相角、即ち、第２の吸気バルブ１３の開閉時期を連続的に調整可能となっている。

ＥＣＵ４０（制御手段）は、図示しない入出力装置、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置、中央処理装置（ＣＰＵ）等を備ており、エンジン１の総合的な制御を行う。
ＥＣＵ４０の入力側には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４１、図示しないスロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサ４２等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ４０の出力側には、上記ＯＣＶ３４の他に、燃料噴射弁４３、点火プラグ４４等が接続されている。ＥＣＵ４０は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ４４や燃料噴射弁４３を駆動制御するとともに、ＯＣＶ３４を駆動制御、即ちカム位相可変機構２０を作動制御する。

図６は、吸気バルブのリフト量を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低負荷時、（Ｂ）は高回転高負荷時、（Ｃ）は始動時を示す。
図６に示すように、本実施形態では、開弁時期が上死点付近に固定される一方、ピストンによる吸気の吸気ポート１９への押し戻しが生じる付近に第１の吸気バルブ１２の閉弁時期が固定されている。

そして、ＥＣＵ４０は、クランク角センサ４１やスロットルセンサ４２からの入力信号に基づいてエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｌを求め、これらのエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｌに基づいてカム位相可変機構２０の作動制御量、即ち第２の吸気バルブ１３の開閉時期を作動制御する。
具体的には、ＥＣＵ４０は、低負荷時には図６（Ａ）に示すように第２の吸気バルブ１３の開閉時期を遅角させる。このとき、吸気バルブの開弁期間は、第１の吸気バルブ１２の開弁時期と遅角した第２の吸気バルブ１３の閉弁時期との間の期間となり、第２の吸気バルブ１３を遅角させない場合と比較して大きくなる。また、このときの第２の吸気バルブ１３の閉弁時期は、最大遅角時に下死点（ＢＤＣ）より次の上死点（ＴＤＣ）に近い時期となるように設定されている。

一方、ＥＣＵ４０は、高回転高負荷時には図６（Ｂ）に示すように、第２の吸気バルブ１３の開閉時期の遅角量を同図（Ａ）に示す低負荷時より小さくし、第２の吸気バルブ１３の開弁期間が第１の吸気バルブ１２の開弁期間内となるように設定する。
また、ＥＣＵ４０は、始動時には図６（Ｃ）に示すように、第２の吸気バルブ１３の開閉時期を進角させる。このときの第２の吸気バルブ１３の開弁時期が第１の吸気バルブ１２の開弁時期より進角するとともに、第２の吸気バルブ１３の開弁期間と排気バルブ１６、１７の開弁期間とがオーバーラップする。

このように、本実施形態では、低負荷時には開弁期間が増加するので、ポンピングロスが低下し、燃費を向上させることができる。また、第１の吸気バルブ１２の開弁時期が上死点付近に設定されるので、吸気行程初期のポンピングロスも低減される。
一方、高回転時高負荷時には、第２の吸気バルブ１３の閉弁時期は第１の吸気バルブ１２の閉弁時期より進角するので、吸気バルブ全体としての閉弁時期は第１の吸気バルブ１２の閉弁時期となる。第１の吸気バルブ１２の閉弁時期は、圧縮行程の前半であって、ピストンによる吸気の吸気ポート１９への押し戻しが生じる付近に設定されているので、吸気の充填効率が高められ、出力を確保することができる。

そして、始動時には、図７（Ａ）に示すとおり、第２の吸気バルブ１３の開閉時期が進角し吸気弁の開弁期間初期に第２の吸気バルブ１３のみ開弁する片側開弁期間が設けられるので、右回りのスワールが発生し燃料と空気の混合や燃料気化が進み、少ない燃料で始動できるとともに、燃焼性が向上して排気性能が向上する。また、排気バルブ１６、１７とのオーバーラップが大きく設けられるので、吸気弁の開弁時に排気が吸気ポート１９に吹き返し、吸気ポート１９に付着した燃料を吹きとばして微粒化させるとともに、排気による吸気温度の上昇により、燃料の気化が促進され、燃焼性を向上させることができる。さらに、排気行程後半には未燃燃料成分を多く含んだ排気が排気ポートへ排出されるが、図示されていないスロットル弁が閉じているため吸気ポート内が負圧になり、一旦排出された排気行程後半の排気が吸気ポート側に吸い出され、再吸入され、燃焼するために未燃燃料成分が低減される。このとき、ペントルーフ型燃焼室で対向するそれぞれの斜面に吸気弁と排気弁が配置されている場合、スムーズに吸気ポート側へ吸い出され、次行程で再吸入される。そして、吸気ポート壁面に付着した液的燃料を吹き飛ばし、燃料気化が促進されるとともに空気と燃料、内部ＥＧＲと未燃燃料成分の混合が促進され、未燃燃料の排出がさらに低減される。加えて、排気の吸気ポートへの吸出しにおいても燃焼室にスワールが生成され、これによっても混合が促進される。さらには、図７（Ｂ）に示すとおり、第２の吸気バルブ１３の開閉時期が第１の吸気バルブ１２の開閉期間より短く設定されていることにより吸気弁の開弁期間後期に第１の吸気バルブ１２のみ開弁する片側開弁期間が設けられるため、一旦、吸入された混合気が吸気ポート１９へ押し戻され、燃焼室１８内には右回りスワールが強化されて燃料の気化がより促進され、燃焼性を向上させることができる。また、吸気ポートに押し戻された混合気は、次行程にて再吸入されるが、それまでに気化や混合が進み、さらに燃焼性が向上する。

本実施形態では、ペントルーフ形状の燃焼室壁面の片側の傾斜面に並んで配置されている第１の吸気バルブが開閉する弁孔及び第２の吸気バルブが開閉する弁孔は燃焼室の中央からオフセットして配置され、吸気ポート１９が右側方から延びているので、吸気ポート１９を通過した吸気は、燃焼室１８はペントルーフ型の形状をしているので、左方向にスムーズに流れ込み易い構造となっている。このため、片弁が開いている状態ではスワールを強化させることができる。

また、始動時では、第２の吸気バルブ１３の閉弁時期は、第１の吸気バルブ１２の閉弁時期より遅角していないので、実圧縮比が低下することなく、着火性を確保することができる。これにより、始動時における燃料消費が抑制され、排気中のＨＣ量の増加が抑えられて排気性能をより向上させることができる。また、実圧縮比が高く維持されることから出力性能も確保することができる。

なお、本発明は、カム位相可変機構２０の作動設定を、上記図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の３段階に変化させることに限定するものではなく、例えばこれらの領域をエンジンの特性に応じて連続的に設定してもよい。

１エンジン
１２第１の吸気バルブ
１３第２の吸気バルブ
１１第２の吸気カム
１８燃焼室
２０カム位相可変機構
４０ＥＣＵ

Claims

１つの気筒に第１の吸気カムにより駆動する第１の吸気バルブと第２の吸気カムにより駆動する第２の吸気バルブとを備え、前記第２の吸気カムの位相を可変するカム位相可変機構を備えた可変動弁装置付エンジンにおいて、
始動時に前記第２の吸気バルブの開弁時期が前記第１の吸気バルブの開弁時期より進角し、所定の低負荷時に前記第２の吸気バルブの開弁時期が前記第１の吸気バルブの開弁時期より遅角するように前記カム位相可変機構を制御する制御手段を備え、
前記第２の吸気カムは、前記第１の吸気バルブの開弁期間より前記第２の吸気バルブの開弁期間が短くなるように設定されることを特徴とする可変動弁装置付エンジン。
前記制御手段は、前記始動時に第２の吸気バルブの開弁期間と前記排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするように前記カム位相可変機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置付エンジン。
前記制御手段は、前記所定の低負荷時に吸気バルブの開弁期間が前記第１の吸気バルブの開弁時期から前記第２吸気バルブの閉弁時期までの期間になるように前記カム位相可変機構を制御することを特徴とする請求項２に記載の可変動弁装置付エンジン。