KR20090042287A - 6사이클 기관의 배기 촉매 제어 - Google Patents

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KR20090042287A
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조호 가부시끼가이샤
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Abstract

6사이클 기관은 소기에 의해, 내부로부터 냉각하고, 압축비를 높임으로써, 높은 연비를 실현하는 것이지만, 소기가 배기에 섞임으로써 배기 촉매 온도의 저하와 산소 과다가 되는 문제가 있었다.
본 발명은 온도 저하의 문제에 대해서는, 소기 포트 밸브의 흡기 밸브에 대한 상대 개방도의 제어를 수행함으로써 흡기에 대한 소기의 양을 조정하여 배기 온도를 제어함으로써 해결했다.
또, 산소 과다가 되는 문제에 대해서는, 소기 모두를 배기 순환 가스로 치환하는 EGR 시스템과, 배기 밸브를 소기 도입 행정에서 여는 자기 EGR 시스템에 의해 해결했다.
6사이클 기관, 배기 촉매, 소기 포트, 흡기 포트, 개방도, 배기 온도, EGR 시스템, 자기 EGR 시스템

Description

6사이클 기관의 배기 촉매 제어{EXHAUST CATALYST CONTROL FOR SIX-CYCLE ENGINE}
본 발명은 6사이클 기관의 배기 촉매 상태의 제어에 관한 것이다.
연료 공급 장치를 구비하고, 혼합기(混合氣)를 공급하는 흡기 포트와 새로운 공기만을 공급하는 소기(掃氣) 포트를 구비하는 예혼합식 6사이클 기관은 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 6사이클 기관의 소기 포트를 생략하고, 소기 도입 행정에서 배기 밸브를 열어 배기를 도입하는 방법은 알려져 있으며, 연비 경기 차량에 사용되어 좋은 성적을 남기고 있다는 사실이 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조).
기관의 운전 상태에 의해 밸브를 구동하는 캠을 전환하여 사용하는 가변 밸브 타이밍 기구는 여러 가지 유형이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
연속 가변 밸브 타이밍 기구는 스로틀 밸브의 대용이 되는 것으로, 펌핑 손실이 저감되는 것은 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
[특허문헌 1] 일본국 실용신안 공개 공보 평2-96435호
[특허문헌 2] 일본국 특허 공개 공보 평5-179913호
[특허문헌 3] 일본국 특허 공개 공보 소55-137305호(P9~P10)
[비특허문헌 1] 자동차기술 2004년 Vol.58 No.10(P27)
6사이클 기관의 특징은 소기 도입 행정과 소기 배기 행정의 존재에 의해 연소실의 온도를 저하시키고, 4사이클 기관에 대해서 높은 압축비를 실현함으로써 연비가 향상하는 것에 있다. 특허문헌 1의 6사이클 기관은 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하는 공연비(air-fuel ratio) 센서를 안정적으로 작동시키기 위해서 배기 포트를 연소 가스의 배기용과 소기 배기용으로 2개 구비했다. 그러나, 실제로는 촉매의 센서의 반응속도는 그다지 빠르지 않고, 평균적인 수치가 감지되므로 우려할 정도의 문제는 아니었다. 반대로, 연소실에 남는 연소 가스가 소기에 혼합되므로, 그 연소 가스가 후처리 없이 배출되어 버리는 것이 문제가 된다. 그러므로, 특허문헌 1에 언급되어 있는 종래 형태의 6사이클 기관과 같이 배기 포트는 1개로 하고, 배기와 소기 배기의 가스를 모두 촉매를 통과시킨 다음 배출하는 것으로 하여, 문제가 되는 촉매의 온도 저하나 산소 과다가 되는 문제를, 소기 포트의 밸브의 개방도 조정에 의해 제어하고자 하는 것이다.
배기 포트를 1개로 한 경우, 소기가 배기에 섞임으로써 배기 촉매의 온도가 저하되고, 촉매가 활성화되기 어렵다고 하는 문제가 생긴다. 이 문제에 대해서는 6사이클 기관의 배기의 보온을 고려함으로써 해결한다. 연소실뿐만이 아니라 촉매를 포함한 배기 포트 내벽에도 단열재를 다용하여 배기 가스의 온도 유지를 고려하는 것이다. 이때, 배기 촉매 온도가 지나치게 높아지는 경우가 생기므로 온도를 조정하기 위한 냉각 수단을 확보해야 한다. 본 발명은 이 온도를 조정하기 위한 적절한 냉각 수단을 부여하는 것이다.
마찬가지로, 소기가 새로운 공기에 의해 구성된 경우 촉매가 산소 과다가 되어 촉매의 환원작용이 일어나지 않게 되는 문제가 생긴다. 그 대책으로서, 4사이클 기관에서는 연료 분사량을 늘리거나 흡기에 배기 가스를 순환시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation: 배출 가스 재순환) 시스템을 구비하는 수단이 성립하지만, 6사이클 기관에서는 연소에 사용되지 않는 소기의 존재로 인해, 단순히 이들 수단을 채용하는 것만으로는 역시 산소 과다의 문제가 남는다. 또, 이 소기의 존재로 인해 EGR 시스템이 커지는 문제나 예열에 시간이 걸리는 문제가 생긴다.
본 발명에 있어서 직접 분사식 기관이란 디젤 기관과 같은 압축 착화 기관과 가솔린 등의 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 불꽃 착화 기관의 총칭이다. 또, 제 1 및 제 2 밸브는 일반적으로는 흡기 및 소기 포트에 설치된 스로틀 밸브로서의 버터플라이 밸브나 슬라이드 밸브 등을 말하지만, 본 발명에서는 기관의 크랭크 회전에 대한 밸브의 개방 각도나 리프트량을 연속적으로 제어하는 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 채용한 흡기나 소기의 포핏 밸브도 포함된다. 제 1 및 제 2 밸브를 이러한 밸브로 한 경우 흡기나 소기의 가스 유입량을 줄이는 경우에 밸브부에서의 압력 저하가 없어 펌핑 손실을 삭감할 수 있으므로 상기 기구를 채용한 기관은 연비 효율이 보다 높은 것이 된다.
본 발명의 제 1 과제 해결 수단은 흡기 포트에 제 1 밸브와 연료 공급 장치를 구비하고, 소기 포트에 제 2 밸브를 구비하며, 이들 밸브는 액셀 조작에 연동하여 동작하는 수단과, 액추에이터의 동작에 의해 제 1 밸브의 개방도와 제 2 밸브의 개방도를 상대적으로 변화시킬 수 있는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 예혼합식 6사이클 기관이다.
제 2 과제 해결 수단은 흡기 포트에 제 1 밸브를 구비하고, 소기 포트에 제 2 밸브를 구비하며, 이들 밸브는 액셀 조작에 연동하여 동작하는 수단과, 액추에이터의 동작에 의해 제 1 밸브의 개방도와 제 2 밸브의 개방도를 상대적으로 변화시킬 수 있는 수단을 구비하고, 소기를 모두 배기 순환 가스로 치환 가능한 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 직접 분사식 6사이클 기관이다.
제 3 과제 해결 수단은 소기를 모두 배기 순환 가스로 치환 가능한 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관이다.
제 4 과제 해결 수단은 흡기 행정시에 흡기 밸브와 소기 밸브의 양쪽 밸브가 열리는 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관이다.
제 5 과제 해결 수단은 흡기 밸브가 소기 도입 행정시에도 열리고, 또 그 소기 도입 행정시의 밸브 개방각을 변화시킬 수 있는 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 구비한 것을 특징으로 하는, 청구항 2의 6사이클 기관이다.
제 6 과제 해결 수단은 제 1 과제 해결 수단 내지 제 5 과제 해결 수단의 6사이클 기관의 밸브 제어 시스템으로서, 배기 촉매의 온도를 감지하는 수단을 구비하고, 배기 촉매의 온도에 의해 제 1 밸브와 제 2 밸브의 상대적인 개방도를 제어하는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템이다.
제 7 과제 해결 수단은 배기 밸브에 가변 밸브 타이밍 기구를 구비하고, 상기 가변 밸브 타이밍 기구는 배기 행정과 소기 배기 행정에서 배기 밸브를 여는 노멀 모드와, 배기 행정과 소기 도입 행정과 소기 배기 행정에서 여는 예열 모드로 서로 이행(移行) 가능한 것임을 특징으로 하는, 청구항 1 내지 청구항 5의 6사이클 기관이다.
제 8 과제 해결 수단은 제 7 과제 해결 수단의 6사이클 기관의 가변 밸브 타이밍 기구의 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로서, 상기 컴퓨터는 배기 촉매의 상태를 감지하는 수단과, 상기 가변 밸브 타이밍 기구의 밸브 개방각을 변화시키는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템이다.
제 9 과제 해결 수단은 제 2 밸브와는 별도로 소기 포트의 상류에 소기 포트 밸브를 구비하고, 상기 소기 포트 밸브와 제 2 밸브의 중간에 배기 포트로부터 배기 가스를 순환 공급하는 포트를 구비한 것을 특징으로 하는, 제 1 과제 해결 수단 내지 제 5 과제 해결 수단의 6사이클 기관이다.
제 10 과제 해결 수단은 제 9 과제 해결 수단의 6사이클 기관의 소기 포트 밸브의 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로서, 상기 컴퓨터는 배기 촉매의 상태를 감지하는 수단과, 제 1 밸브의 개방도를 감지하는 수단과, 소기 포트 밸브의 개구량을 변화시키는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템이다.
(발명의 효과)
본 발명의 제 1 과제 해결 수단은 예혼합식 6사이클 기관의 배기의 온도 관리를 수행할 수 있는 이점이 있다. 예를 들면, 배기 촉매의 온도가 낮은 경우에는 제 2 밸브의 개방도를, 통상적인 부하에 대응한 제 1 밸브의 개방도에 대해서 상대적으로 낮추어 소기의 비율을 줄인다. 필요한 경우에는 제 2 밸브를 닫아버린다. 이로써 소기의 비율을 줄이고 배기 온도를 높여 촉매 온도를 올릴 수 있다. 이것은 예열시의 예열 시간의 단축에도 효과가 있고, 보다 빨리 촉매 온도를 높일 수 있다. 또 반대로 배기 촉매 온도가 높은 경우에는 제 2 밸브의 개방도를 상대적으로 크게 함으로써 소기의 비율을 늘리고 배기 온도를 낮추어 촉매 온도를 낮출 수 있다. 이때 소기 도입 행정에서의 통로 저항이 줄어 펌핑 손실이 삭감될 수 있는 이점이 있다. 흡기의 양에 영향을 주는 제 1 밸브와 달리, 제 2 밸브의 개폐는 기관 출력에 큰 영향을 주지 않기 때문에, 배기 온도를 제어하기 위해서 스로틀 밸브에 해당하는 제 1 밸브와는 관련되면서도 독립적으로 개방도를 제어하는 것이 가능하기 때문이다.
본 발명의 제 2 과제 해결 수단은 직접 분사식 6사이클 기관의 배기 촉매가 산소 과다가 되는 문제를 해결하고, 또 배기의 온도 관리를 수행할 수 있는 이점이 있다. 배기 촉매의 온도 관리 방법은 제 1 과제 해결 수단과 동일하다. 배기 순환 가스는 일반적으로 냉각되어 소기로서 이용된다. 흡기와 소기를 구별하지 않고 동일하게 순환가스를 혼합하는 것과 비교하여, 흡기의 산소 농도는 변화하지 않기 때문에, 연료 공급량은 그다지 줄지 않으므로 출력을 낮추는 일 없이 배기 촉매의 온도 관리를 수행할 수 있는 이점이 있다. 4사이클의 EGR 시스템과는 달리, 기본적으로 소기 모두를 배기 순환 가스로 치환하므로 순환가스량은 많아지지만 구조는 단순하다. 더욱 정밀한 배기 촉매의 산소 농도에 대해서는 흡기와 소기에 포함되는 새로운 공기의 양에 대한 연료 분사량을 조정함으로써 수행한다. 필요하다면 4사이클 기관과 마찬가지로 흡기에도 또한 순환가스를 보낸다.
본 발명의 제 3 과제 해결 수단은 제 2 과제 해결 수단과 마찬가지로, 예혼합식 6사이클 기관의 소기를 배기 순환 가스로 치환함으로써 출력을 그다지 낮추지 않고 배기 촉매가 산소 과다가 되는 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제 4 과제 해결 수단은 6사이클 기관의 최고 출력을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 소기 도입시에는 소기 밸브만 열려서 새로운 공기를 다량 함유한 소기를 실린더 내에 도입하고, 흡기시에는 흡기 포트로부터는 혼합기가, 소기 포트로부터는 소기가 도입되어 실린더 내에서 혼합된다. 흡기행정에서는 흡기 포트로부터의 흡기의 가스량과 관계없이, 흡기와 소기의 가스량의 합계에 비례한 연료를 포함하는 농후한 혼합기를 도입함으로써 실린더 내에 적절한 혼합기를 생성할 수 있다. 흡기 밸브의 면적은 작게 할 수 있고, 상대적으로 소기 밸브의 면적은 크게 취할 수 있다. 따라서, 본 과제 해결 수단을 채용한 예혼합식 기관은 소기시의 밸브 개구 면적을 2밸브의 4사이클 기관의 흡기 밸브와 필적하는 크기로 할 수 있고, 또한 출력에 가장 영향을 주는 흡기시에는 흡기 밸브와 소기 밸브의 양쪽 밸브로부터 가스를 도입하게 되므로, 밸브 개구 면적의 합계는 2밸브의 4사이클 기관 이상인 것으로 할 수 있어 4사이클 기관 이상의 회전수를 실현 가능하게 하는 것이다. 밸브 면적이 확보됨으로써 통로 저항이 낮아져 펌핑 손실을 삭감할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 제 5 과제 해결 수단은 직접 분사식 6사이클 기관의 배기 촉매의 온도와 산소 농도 관리를 수행할 수 있는 간단한 구성의 자기 EGR 시스템으로, 외부 EGR 시스템과 소기 시스템을 소형화할 수 있는 이점이 있다. 승용차 등에 사용되는 기관은 최대 출력에 사용될 기회는 적기 때문에, 최고 출력시까지 필요한 충분한 크기의 EGR 시스템을 구비하는 것은 그다지 합리적인 것은 아니다. 기관 회전수가 낮은 경우에는 주로 소기 포트로부터 배기 순환 가스를 주체로 한 소기를 도입하지만, 기관 회전수가 높은 곳에서는 흡기 밸브로부터 새로운 공기를 부족한 만큼 더 도입한다. 이렇게 함으로써 소기 포트와 소기 밸브를 소형화할 수 있고, 그 만큼 흡기 밸브나 배기 밸브를 크게 취할 수 있어 기관 출력을 향상시키고, 펌핑 손실을 삭감할 수 있다. 또 배기 순환 가스의 설정량이 적어도 되므로 외부 EGR 시스템, 특히 그 냉각 시스템을 소형화할 수 있다. 일시적으로 높은 기관 출력이 요구되었을 때에는 온도가 보다 낮은 새로운 공기를 흡기 밸브로부터 도입하여 연소실의 온도를 낮춘다. 기관이 고출력으로 운전하고 있는 경우이므로 배기 촉매의 온도가 지나치게 낮아지는 일은 없다. 일시적으로 산소 농도가 높아지게 되지만 기관 출력이 낮아졌을 때에 연료의 농도를 진하게 함으로써 촉매의 상태를 조정하는 것이 가능하다.
본 발명의 제 6 과제 해결 수단은 배기 촉매의 온도를 감지하고, 그에 대해서 액추에이터를 구동함에 따라 제 1 밸브와 제 2 밸브의 상대적인 개방도를 바꿈으로써 촉매의 온도를 자동적으로 적절히 제어하는 시스템을 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제 7 과제 해결 수단은 소기 도입 행정에서 배기 포트로부터 연소실로 직접 대량의 배기 가스를 도입하고, 그 양을 변화 가능하게 하는 내부 EGR 시스템을 간단한 구성으로 실현할 수 있는 이점이 있다. 또, 제어 시스템과 조합함으로써 촉매의 온도나 산소 농도를 자동 제어하는 것이 가능해지는 이점과, 기관의 예열을 앞당기는 이점이 있다. 예혼합식의 4사이클 기관의 흡기시에, 대량의 배기 가스를 냉각하지 않고 배기 포트로부터 순환시키면, 고온의 배기 가스가 혼합기에 직접 닿아 역화(逆火) 등의 장해를 일으키지만, 6사이클 기관의 경우에는 배기에 직접 닿는 것은 연료가 포함되지 않은 소기이므로 가능해지는 것이다.
6사이클 기관에서는, 소기 도입 행정에서 소기 포트로부터 새로운 공기 및 냉각된 배기 순환 가스로 구성된 소기가 도입되어 연소실 내부가 냉각된다. 그러나 압축비 등은 기관이 항상 정상적으로 작동 가능하도록 운전 상태가 한계적인 경우에 맞추어 설정되어 있으므로 차가운 상태에서는 물론, 어느 정도 예열된 후에도 기관의 온도나 부하나 그 계속 시간 등에 따라서는 소기에 의해 냉각할 필요성이 낮은 경우도 있다. 본 과제 해결 수단은 이와 같이 반드시 배기 순환 가스를 모두 냉각할 필요가 없는 사정을 감안하여 발명된 것이다.
본 발명의 제 8 과제 해결 수단은 배기 촉매의 온도나 산소 농도 등의 상태를 감지하여, 소기 도입 행정에서의 배기 포트로부터의 배기 순환 가스량을 자동 제어하여 촉매의 상태를 적절히 유지하는 시스템을 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제 9 과제 해결 수단은 소기에 대한 외부 EGR에 의한 순환가스량과 새로운 공기의 양을, 제 2 밸브와 소기 포트 밸브의 개방도를 제어함으로써 간단한 시스템으로 변화시킬 수 있고, 자동 제어 시스템과 조합함으로써 촉매의 온도나 산소 농도를 조정하는 것이 가능해지는 이점이 있다. 그 중에서도 제 5 과제 해결 수단과 조합한 경우에는 배기 밸브로부터의 내부 EGR에 의한 배기 순환 가스량과 소기의 양의 비율을 변화시킬 수 있고, 기관의 예열을 앞당기는 이점과 배기 온도를 정밀하게 관리할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제 10 과제 해결 수단은 배기 촉매의 온도나 산소 농도 등의 상태를 감지하여 제 2 밸브와 소기 포트 밸브의 개방도를 자동 제어함에 따라 소기 중의 외부 EGR에 의한 배기 가스 순환량과 새로운 공기의 비율을 조정함으로써 촉매의 온도나 산소 농도의 상태를 적절히 유지하는 시스템을 얻을 수 있는 이점이 있다.
도 1은 제 1 과제 해결 수단을 채용한 다기통 예혼합식 6사이클 기관의 실린더 헤드의 하나의 기통 부분을 피스톤측에서 본 평면도(실시예 1).
도 2는 도 1의 측면도(실시예 1).
도 3은 제 1 및 제 2 밸브로서의 연속 가변 밸브 타이밍 구동 시스템 도면(실시예 2).
도 4는 제 2 과제 해결 수단에 의한 직접 분사식 6사이클 기관의 EGR 시스템 도면(실시예 3).
도 5는 제 4 과제 해결 수단에 의한 제 1 실시예의 6사이클 기관의 실린더 헤드를 피스톤측에서 본 평면도(실시예 4).
도 6은 제 4 과제 해결 수단에 의한 제2 실시예의 6사이클 기관의 실린더 헤 드를 피스톤측에서 본 평면도(실시예 5).
도 7은 제 5 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관의 EGR 시스템 도면(실시예 6).
도 8은 상기 기관의 흡기 밸브의 연속 가변 밸브 타이밍 구동 시스템 도면(실시예 6).
도 9는 제 7 과제 해결 수단에 의한 제 1 실시예의 배기 밸브 구동 캠샤프트의 단면도(실시예 7).
도 10은 도 9의 캠의 크랭크 회전 각도에 대한 배기 밸브의 설정 가속도와 밸브 리프트량의 그래프(실시예 7).
도 11은 제 7 과제 해결 수단에 의한 제2 실시예의 배기 밸브 구동 시스템 도면(실시예 8).
도 12는 제 6, 제 8, 제 10 과제 해결 수단을 이용한 밸브 제어 시스템 도면(실시예 9).
도 13은 제 6 과제 해결 수단의 액추에이터(93)의 제어 플로차트(실시예 9).
도 14는 제 6 과제 해결 수단에 의한 제 1 밸브 개방도에 대한 제 2 밸브 개방도의 맵이다(실시예 9).
도 15는 제 8 과제 해결 수단에 의한 배기 밸브 제어 맵이다(실시예 9).
도 16은 제 10 과제 해결 수단에 의한 소기 포트 밸브 제어 맵이다(실시예 9).
[부호의 설명]
1：6사이클 기관
16：연료 공급 장치
17：점화 플러그
18：직접 분사 인젝터
20：실린더 헤드
20A, 20B, 20C：실린더 헤드에 설치된 포핏 밸브의 삽입부
21：흡기 포트
22：흡기 밸브
23：제 1 밸브
24：제 1 밸브 개방도 센서
31：배기 포트
32：배기 밸브
41：소기 포트
42：소기 밸브
43：제 2 밸브
43B：소기 포트 밸브
52：회전수 센서
63：배기 촉매
68：촉매 센서
81, 82：레버
83, 84：로드
85：링크
91, 91B：액추에이터
92：액추에이터 로드
93：배기 밸브 액추에이터
94：소기 포트 밸브 액추에이터
111：순환포트
112：순환가스 냉각기
120：흡기 밸브 타이밍 캠샤프트
121, 121B：흡기캠
123, 123B, 133, 143：컨트롤 샤프트
124, 124B, 144：로드
126, 126B, 136, 146：로커암
126CF, 136CF, 146CF：캠팔로워
127, 137, 147：밸브 리프터
127RA：간극 조정장치
127SH, 137SH：밸브 리프터 샤프트
128, 128B, 148：로커암 샤프트
129, 129B, 149：로커암 홀더
130：배기 밸브 타이밍 캠샤프트
131：노멀캠
131B：배기캠
132：예열캠
132B：배기 밸브의 소기캠
138：편심륜
139：스프링핀
141：소기 노멀캠
510：액셀 페달
610：제어용 컴퓨터
6사이클 기관의 배기 포트는 1개로 하고, 배기와 소기 배기를 모두 배기 촉매를 통과시키는 것으로 하고, 배기 촉매의 온도 저하의 문제에 대해서는 연소실 및 배기 시스템을 단열화하고, 소기 포트 밸브의 흡기 포트 밸브에 대한 상대 개방도의 조정을 수행함으로써 온도 관리를 수행한다. 촉매가 산소 과다가 되는 문제에 대해서는 소기 모두를 배기 순환 가스로 치환하는 EGR 시스템에 의해 해결하고, EGR 시스템이 커지는 문제나 예열에 시간이 걸리는 문제에 대해서는 배기 밸브를 소기 도입 행정에서 여는 자기 EGR 시스템에 의해 해결했다.
실시예 1
도 1의 다기통 기관 예혼합식 6사이클 기관은 연소실에 흡기 밸브(22)와 배 기 밸브(32)와 소기 밸브(42)의 3종류의 밸브를 구비하고 있다. 점화 플러그(17)는 이들 밸브 면적을 조금이라도 크게 취하도록 중심을 벗어나 배치되어 있다. 흡기 포트(21)와 소기 포트(41)는 각각 독립되어 있고, 흡기 포트(21)에는 연료 공급 장치(16)가 있어 혼합기가 도입되고, 소기 포트(41)로부터는 새로운 공기인 소기가 도입된다. 흡기 포트(21)에는 버터플라이 밸브인 제 1 밸브(23)가, 소기 포트(41)에도 동일한 형식의 제 2 밸브(43)가, 각각 독립적으로 회전 가능한 샤프트에 고정되어 있다.
도 2는 도 1의 실린더 헤드(20)를 도 1의 위쪽에서 본 측면도로서, 그 제 1 및 제 2 밸브 제어 기구의 링크 주위의 작동을 나타내고 있다. 일반적으로 자동차 등의 이동체에서는 액셀 페달을 밟음으로써, 또는 스로틀 그립을 돌림으로써, 탑재하고 있는 내연기관의 흡기 포트에 있는 스로틀 밸브를 여는 방향으로 연동하여 동작시킨다(도 12 참조). 본 실시예에도, 도시되어 있지 않은 동일한 연동기구를 구비하여 운전자의 조작에 대해서, 스로틀 밸브에 해당하는 제 1 밸브(23)를 연동하여 동작한다. 또한 제 1 밸브에 대해서, 레버(81), 로드(83), 링크(85), 로드(84), 레버(82)를 통해 제 2 밸브(43)가 연동하고 있다. 액추에이터(91)는 외부로부터 배기 온도 등에 의해 로드(92)의 돌출량을 바꾸도록 구동된다. 배기 촉매 온도가 적절한 경우 액추에이터(91)는 (A)에 나타낸 상태에 있고, 제 2 밸브(43)는 제 1 밸브(23)의 개방도와 동일한 개방도가 된다. 배기 가스 온도 검출 값이 높아지면(또는 배기 촉매 온도가 높아진다고 예상되면) (B)에 나타내는 바와 같이 액추에이터(91)가 구동되어 링크(85)의 지지점을 지지하고 있는 로드(92)를 돌출시킨 다. 그 움직임에 따라 로드(84)는 제 2 밸브(43)를 2점 쇄선의 (A)의 위치에서 여는 방향으로 동작하여 보다 많은 소기를 도입한다. 반대로 배기 가스 온도 검출 값이 낮아지면(또는 배기 촉매 온도가 낮아진다고 예상되면) 액추에이터(91)의 로드(92)가 들어가고, 제 2 밸브(43)를 제 1 밸브(23)에 대해서 상대적으로 닫아 보다 적은 양의 소기만 도입되도록 작동한다.
본 발명의 제 1 과제 해결 수단에 있어서 액셀 페달이나 스로틀그립에 연동하는 밸브를 흡기 포트에 있는 제 1 밸브(23)로 한정하는 것이 아니라, 흡기 포트와 소기 포트 전체에 대해서, 1개의 스로틀 밸브를 구비하고, 그 하류의 흡기 포트나 소기 포트의 어느 한쪽에 액추에이터로 개폐되는 다른 밸브를 구비한 경우라도 동일한 효과가 있다는 것은 당업자에게 자명한 것이다. 또, 링크기구 대신, 직접 제 2 밸브를 동작시키는 액추에이터를 구비하고, 그것을 제 1 밸브의 움직임에 연동하도록 전자 제어에 의해 작동시키는 것이라도 된다. 이것은 제 1 과제 해결 수단의 발명 개념에 포함되는 것이다.
실시예 2
도 3은 제 1 밸브로서 흡기 밸브에, 제 2 밸브로서 소기 밸브에 각각 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 채용한, 제 1 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관의 밸브 구동 시스템이다. 실린더 헤드는 생략되어 있다. 흡기 밸브(22)와 소기 밸브(42)의 크기는 같고, 앞쪽이 소기 밸브로서, 본 도면에서는 이 밸브도 포함하여 흡기계의 가변 밸브 타이밍 기구의 구성부품(126~129)은 소기계의 구성 부품과 서 로 겹치고 있다. 소기 밸브나 흡기 밸브에 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 채용한 경우 밸브부에서의 압력 저하가 없어 펌핑 손실을 삭감할 수 있으므로 흡기나 소기의 가스 유입량을 줄이는 일부 영역에서 연비 효율이 보다 높아진다. 이 펌핑 손실의 삭감 효과는 예혼합식 기관뿐만 아니라 직접 분사식 기관에서도 효과가 있다. 또, 펌핑 손실을 고려하지 않아도 되므로, 연소 속도가 느린 희박 연소(lean combustion)를 이용할 필요가 없어 신속한 연소가 가능한 점에서도 연비 향상에 효과가 있다.
본 실시예의 흡기 밸브(22)와 소기 밸브(42)의 연속 가변 밸브 타이밍 기구는, 각각에 크랭크 형상의 컨트롤 샤프트(123, 143)를 구비하고, 실시예 1과 동일한 2점 쇄선으로 나타낸 링크기구(85 등)를 구비하고, 액추에이터(91)에 의해 밸브 개방도를 상대적으로 제어할 수 있는 것이다. 본 실시예에서는 양 컨트롤 샤프트와 캠샤프트가 2점 쇄선으로 나타낸 실린더 헤드 윗면에 위치되어 있다. 배기 촉매 온도가 적절한 경우 액추에이터(91)는 본 도면의 상태가 되고, 흡기 밸브(22)와 소기 밸브(42)는 비례하는 밸브 개구량이 되도록 링크기구에 의해 연동하여 동작한다. 액추에이터(91)는 외부로부터 로드(92)의 돌출량을 바꾸도록 구동되어, 흡기 밸브의 밸브 개구량에 대해서 소기 밸브의 상대적 개구량을 조정한다.
상기 시스템은 공통의 캠샤프트(120)에 대해서, 각각의 밸브 기구로서 각각의 캠(121, 141)이 구비되고, 그들 캠에 대해서 캠팔로워(126CF, 146CF)를 구비한 로커암(126, 146)을 구비하여, 상기 로커암의 요동운동에 연동하여 요동하는 밸브 리프터(127, 147)에 의해 각각의 밸브를 눌러 연다. 각각의 연속 가변 밸브 타이 밍 기구는 각각의 컨트롤 샤프트의 회전에 의해, 로드(124, 144)를 통해 캠의 회전방향으로, 각 로커암 홀더(129, 149)마다 2점 쇄선으로 나타낸 실린더 헤드에 의해 형성된 원호 형상의 가이드를 따라 로커암을 이동시킴으로써 캠의 회전각에 대한 캠팔로워의 위치를 바꾸고, 각각의 밸브의 개폐 타이밍을 변화시켜, 동시에 밸브 리프터에 대한 작용점의 위치를 바꿈으로써 밸브 리프트량을 변화시킨다.
본 실시예의 캠샤프트는 반시계방향으로 회전하고 있다. 액셀 페달을 밟음으로써 탑재하고 있는 내연기관의 제 1 밸브인 흡기 밸브의 컨트롤 샤프트(123)를 반시계방향으로 회전시켜, 밸브의 개구량을 크게 하는 방향으로 연동하여 회전한다. 본 도면의 상태가 액셀을 밟은 상태에 대응하며, 밸브의 리프트량이 최대가 되어 있다. 액셀을 느슨하게 하면 컨트롤 샤프트(123, 143)가 도면에 대해서 시계방향으로 회전함으로써 로커암(126, 146)이 오른쪽으로 이동하고, 로커암의 요동 중심인 로커암 샤프트(128, 148)가 밸브 리프터와의 작용점에 가까워져 밸브 리프트가 줄고, 동시에 개폐 타이밍이 빨라진다. 각 밸브의 포핏 밸브(22, 42)의 헤드 부분에는 실린더 헤드에 삽입부(20A, 20B)가 형성되어 있고, 밸브 헤드가 상기 삽입부에 있는 경우 개구 면적이 0이 되는 구성이 되어, 밸브의 개구 면적이 급속하게 커지게 되어 있다.
본 실시예의 연속 가변 밸브 타이밍 기구는 이 컨트롤 샤프트(123, 123B)의 회전만으로 개방각과 타이밍을 동시에 변화시킬 수 있고, 로커암에 걸리는 힘은 대향하고 있으므로 거의 상쇄되며, 지지 토크가 작아도 되므로 스로틀 밸브와 마찬가지로 조작계에 연동시켜 동작시킬 수 있다. 전자 제어를 이용하여 액추에이터에 의해 동작시키는 경우에도 작은 구동력으로 해결되는 특징이 있다.
실시예 3
도 4는 제 2 과제 해결 수단에 의한 직접 분사식 3밸브 6사이클 기관의 EGR 시스템의 개념도이다. 실린더 헤드(20)는 피스톤측에서 본 도면으로 되어 있다. 본 실시예에서는 배기 포트(31)에서 소기 포트(41)로의 순환 포트(111)를 가지고, 여기에 배기 가스를 냉각하는 냉각기(112)를 구비하고 있다. 소기 도입 행정에서는 소기 밸브(42)로부터 냉각된 배기 순환 가스를 소기로서 도입하고, 흡기행정에서는 흡기 밸브(22)로부터 새로운 공기를 도입한다. 본 실시예의 제 1 밸브(23) 및 제 2 밸브(43)의 작동은 실시예 1과 동일하다. 배기 온도 검출 값이 높을 때는 제 2 밸브가 제 1 밸브에 대해서 상대적으로 열리고, 배기 온도 검출 값이 낮을 때는 제 2 밸브가 제 1 밸브에 대해서 상대적으로 닫힌다.
본 도면의 EGR 시스템을 제 1 과제 해결 수단에 의한 흡기 포트에 연료 공급 장치를 구비한 예혼합식 기관에 채용한 것이 제 3 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관이다.
실시예 4
도 5는 제 4 과제 해결 수단에 의한 예혼합식 6사이클 기관의 실린더 헤드(20)를 피스톤측에서 본 평면도이다. 본 실시예에서 소기 밸브(42)와 배기 밸브(32)는 크고, 흡기 밸브(22)는 상대적으로 작게 되어 있다. 흡기 포트로부터는 혼합기가, 소기 포트로부터는 기본적으로 새로운 공기가 공급된다. 소기 도입 행정에서는 소기 밸브만 열리지만, 흡기행정에서는 흡기 밸브와 동시에 소기 밸브도 열려 혼합기와 새로운 공기를 도입한다. 흡기 포트에는 1회의 폭발에 필요한 연료가 분사되어 있고, 통상적인 기관의 흡기와 비교하면 농도가 진한 혼합기로 되어 있으며, 흡기행정과 압축행정 사이에 소기 밸브로부터 도입된 소기와 혼합되어 실린더 안을 소정의 혼합기 상태로 한다. 본 과제 해결 수단에 의하면, 실시예 1의 기관의 밸브 배치와 비교하여 소기 밸브 면적을 크게 설정할 수 있고, 특히 출력에 가장 영향을 주는 흡기행정시의 밸브 면적은 흡기와 소기의 2개 밸브의 합계가 되기 때문에 4사이클 기관 이상의 면적이 되어, 4사이클 기관과 동등 또는 그 이상의 회전수를 실현할 수 있는 것이다. 도시되어 있지 않지만 본 실시예에서도 제 1 및 제 2 밸브가 존재하여, 흡기에 대한 소기의 양을 조정 가능하게 하고 있다.
실시예 5
도 6은 제 4 과제 해결 수단에 의한 5밸브의 실린더 헤드(20)를 피스톤측에서 본 평면도이다. 본 실시예에서 밸브 크기는 거의 같지만, 소기 밸브(42)가 2개, 흡기 밸브(22)는 1개, 배기 밸브(32)는 2개로 밸브 개수에 의해 각 밸브의 합계 면적에 차이를 두고 있다. 밸브 하나하나가 작기 때문에 적은 리프트량으로도 전체 개방이 되므로 기관 회전수를 높일 수 있는 이점이 있다.
실시예 6
도 7은 제 5 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관의 실린더 헤드(20)를 피스톤측에서 본 평면도와 그것을 포함한 시스템 모식도이다. 본 기관의 소기 밸브(42)는 배기 밸브(32), 흡기 밸브(22)보다 조금 작고, 배기 밸브에 인접하고 있다. 배기 포트(31)로부터 배기 순환 가스를 순환 포트(111)에 구비된 냉각기(112)에서 냉각하여 소기 포트(41)에 도입하고, 소기 밸브를 통해 그 가스를 연소실에 도입하고 있다. 본 실시예의 EGR 시스템의 용량은 기관 출력이 높은 경우에는 부족한 설정이 되어 있어서 그만큼 EGR 시스템은 소형화되어 있다. 기관 출력이 낮은 경우에는 소기 도입 행정에서 흡기 밸브가 열리지 않고, 소기 밸브로부터만 소기를 도입한다. 기관 출력이 높은 경우에는 소기 가스량이 부족하므로 소기 도입 행정에서 흡기 밸브가 열려 부족분의 새로운 공기를 연소실에 도입한다. 즉, 소기 도입 행정에서 흡기 밸브를 여는 것은 일정 이상의 기관 회전수와 스로틀 밸브 개방도이고, 그 개구량은 최대 출력 부근에서 최대가 된다. 소기 도입 행정에서의 흡기 밸브의 개구량을 제어 맵으로 나타내면 도 16과 같다.
도 8은 본 실시예의 흡기 밸브의 연속 가변 밸브 타이밍 구동 시스템을 나타내고 있다. 본 시스템은 도 3의 시스템과 유사하지만, 2개의 로커암(146, 146B)의 움직임에 대해서 작동각이 큰 쪽의 로커암을 따르는 단일 밸브 리프터(127)를 구비하고, 흡기 밸브(22)만을 구동한다. 컨트롤 샤프트(123)는 제 1 밸브로서의 흡기행정에서의 흡기 밸브의 개구량을 변화시키고, 컨트롤 샤프트(123B)는 흡기 밸브의 소기행정에서의 개구량을 변화시킨다. 본 실시예에서 컨트롤 샤프트(123B)는 123과 링크기구에 의해 연동하지 않고, 독립적으로 구동되는 액추에이터(91B)에 의해 동작하고 있다.
실시예 7
도 9는 제 7 과제 해결 수단에 의한 6사이클 기관의 배기 밸브의 가변 밸브 타이밍 기구의 캠샤프트(130)의 단면도이다. 본 캠샤프트를 포함한 6사이클 기관의 모든 밸브 구동용 캠샤프트는 크랭크가 3회전하는 동안에 1회전한다. 본 도면의 캠의 12시 방향이, 폭발ㆍ팽창 행정 시작의 피스톤이 상사점이 되는 포인트에 대응하여, 본 캠샤프트는 반시계방향으로 회전한다. 캠샤프트(130)에는 2종류의 캠이 있고, 앞쪽에 있는 캠이 배기 밸브 구동용의 노멀 모드용 캠(131)(이하, 노멀캠이라고 한다)으로, 배기 행정 및 소기 배기 행정에서 밸브가 열리도록 설정되어 있다. 뒤쪽으로 보이는 것이 예열 모드용 캠(132)(이하, 예열캠이라고 한다)으로, 소기 도입 행정에서도 또한 밸브가 열리도록 설정되어 있다.
도 10은 본 실시예의 배기 밸브 캠샤프트를 이용한 6사이클 기관의 크랭크의 회전 각도에 대한 배기 밸브의 설정 가속도와 밸브 리프트량을 나타내는 그래프이다. 위쪽 그래프의 세로축은 배기 밸브 설정 가속도를 나타내고 있고, 밸브가 열리는 방향의 가속도를 정(正)으로 하고 있다. 아래쪽 그래프의 세로축은 배기 밸브의 밸브 리프트량을 나타내고, 가로축은 모두 크랭크의 회전 각도를 나타내고 있다. 1사이클 6행정에서 크랭크는 3회전하는데, 그 중 제 3 행정인 폭발ㆍ팽창 행정이 시작되는 피스톤이 상사점이 되는 포인트를 0°로 하여, 폭발ㆍ팽창, 배기, 소기 도입, 소기 배기, 흡기의 제 3 행정에서 다음 사이클의 제 1 행정까지의 총 5 행정의 크랭크 각도로서 합계 900°를, 180°를 1눈금으로 하여 나타내고 있다.
점선은 노멀캠(131)의 배기 밸브의 설정 가속도와 밸브 리프트 커브를 나타내고 있다. 밸브 리프트 커브의 시작과 끝 부분에는 약간 비스듬한 직선으로 나타낸 완충부가 있다. 시작 부분의 완충부의 종료 포인트에서 밸브의 설정 가속도에 의한 밸브 리프트가 시작된다. 밸브의 설정 가속도는 일정한 가속도 이하에서 연속하도록 설정되어 있다. 가속도가 연속되어 있으므로 밸브 리프트 커브는 전체적으로 매끄러운 곡선을 그린다. 노멀캠은 배기 행정과 소기 배기 행정 모두 동일하게 최대 밸브 리프트의 1/8의 리프트 부분에서 크랭크각을 보면, 하사점 전 30°에서 시작되어 상사점 후 5°에서 끝나는 합계 215°의 캠산을 갖는다.
본 실시예의 예열캠(132)의 설정 가속도와 밸브 리프트 커브는 실선과 같이 설정되어 있다. 예열캠의 배기 행정에서의 밸브 개방각은 노멀 모드용 캠과 동일하고, 상사점 부근의 밸브와 피스톤의 클리어런스는 노멀캠과 같다. 그러나 상사점을 지나면 노멀캠과는 달리, 밸브는 안착하지 않고 다시 리프트를 시작하고, 노멀 모드의 최대 캠 리프트량을 초과한 부분에서 일단 리프트량이 일정해진다. 노멀 모드의 소기 배기 행정에서의 캠 리프트 최대 포인트에 가까워지면 다시 안착 방향으로 가속하기 시작하여, 밸브를 안착시킬 때까지 노멀캠과 유사한 형태가 된다. 이와 같이 예열캠은 노멀캠에 대해서 항상 캠 리프트가 같거나 크다. 이로써 특허문헌 2와 같은 단순한 가변 밸브 타이밍 기구를 이용할 수 있는 특징이 있다.
본 실시예에서 2개의 캠산 사이의 밸브 리프트의 최소 리프트 포인트는 소기 도입 행정이 시작된 후의 크랭크각에서 상사점 후 26.5°의 포인트가 된다. 그러 나, 하사점에서는 피스톤과 밸브가 떨어져 있으므로 밸브는 닫을 필요가 없고, 밸브 리프트량을 최대인 상태로 유지할 수 있으므로, 소기 도입 행정에서의 밸브 개구량을 충분히 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 소기 배기 행정에서의 밸브 개구량도 증가한다. 이 밸브 개구량의 증가는 펌핑 손실의 삭감에 효과가 있다.
실시예 8
도 11은 제 7 과제 해결 수단을 채용한 제 2 실시예의 6사이클 기관의 배기 밸브(32)의 연속 가변 밸브 타이밍 구동 시스템이다. 실린더 헤드는 생략되어 있다. 시계방향으로 회전하는 캠샤프트(130)에 배기 행정에서 밸브를 여는 배기캠(131B)과, 소기 도입 행정과 소기 배기 행정에서 여는 소기캠(132B)을 구비하고 있고, 소기캠에 대해서만 연속 가변 밸브 타이밍 기구가 구비되어 있다. 로커암(136)의 지지점이 되는 편심륜(138)은 컨트롤 샤프트(133)와 스프링핀(139)에 의해 일체가 되어 회전한다. 상기 로커암의 안쪽에 배기캠용 로커암(136B)이 있고, 그 지지점은 컨트롤 샤프트(133)에 의해 직접 지지되어 있으므로, 컨트롤 샤프트가 회전해도 지지점은 이동하지 않아서 로커암(136B)의 요동에는 변화가 없다. 이들 2개의 로커암(136, 136B)은 공통의 밸브 리프터(137)를 요동시켜 배기 밸브(32)를 개구한다. 또한, 도시되어 있지 않지만 로커암에는 캠팔로워를 캠에 밀어붙이는 스프링이 구비되어 있다.
본 도면은 예열 상태로서, 소기 도입 행정에서의 배기 밸브의 개구량이 최대가 되는 컨트롤 샤프트의 회전각으로 되어 있다. 컨트롤 샤프트를 시계방향으로 회전시킴으로써 캠(132)의 회전방향으로 로커암의 지지점 위치를 이동시키게 되어, 캠의 회전에 대한 타이밍을 늦추어 밸브의 개폐 시기를 늦춘다. 동시에 밸브 리프터에 대한 작용점 위치를 밸브 리프터 샤프트(137SH)로부터 멀게 함으로써 밸브 리프터의 요동이 줄어 밸브 리프트량을 줄인다. 이와 같이 컨트롤 샤프트가 본 도면에서 우회전함으로써, 소기 도입 행정 사이에 열리고 소기 배기 행정 끝에서 닫혀있던 배기 밸브가, 서서히 열리는 포인트를 늦추어 소기 도입 행정에서의 개구량을 줄여간다. 그 사이에 배기 행정에서는 같은 타이밍으로 밸브가 개폐되고 있다.
실시예 9
도 12는 제 6, 제 8 및 제 10 과제 해결 수단을 채용한 밸브 제어 시스템 도면이다. 본 실시예의 6사이클 기관(1)은 제 1 밸브와 제 2 밸브로서 도 3의 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 구비한 흡기 밸브(22)와 소기 밸브(42)를 구비하고, 또한 제 9 과제 해결 수단의 소기 포트 밸브(43B)를 구비하고 있다. 흡기 포트는 소기 포트의 맞은편에 있고, 본 도면에서는 도시되어 있지 않다. 배기 밸브에는 도 11의 연속 가변 밸브 타이밍 구동 시스템이 구비되어 있다. 배기 포트와 소기 포트 사이에는 배기 가스를 순환시키는 포트(111)가 구비되어 있고, 거기에는 냉각기(112)가 구비되어 있다.
제어용 컴퓨터(610)는 운전자가 조작하는 액셀 페달(510)에 연동하여 작동하는 제 1 밸브의 컨트롤 샤프트에 부착된 제 1 밸브 개방도 센서(24)와, 배기의 온도와 산소 농도를 감지하는 촉매 센서(68)로부터의 신호를 수신하는 수단과, 배기 의 상태에 의해 제 1 밸브와 제 2 밸브의 상대적인 개방도를 제어하는 액추에이터(91)를 구동하는 수단을 구비하고 있다. 촉매 센서 위치는 센서의 감지 지연과, 배기 가스 변화에 대한 촉매의 상태 변화의 지연이 거의 같은 위치에 놓여져 있고, 센서의 감지 지연의 보정을 물리적으로 수행하고 있다. 또한 제어용 컴퓨터(610)는 기관 회전수를 검지하는 회전수 센서(52)를 구비하고, 밸브(43B)로 하여금 개폐 동작하게 하는 액추에이터(94)를 구동하는 기능을 구비하며, 소기 흡입시에 배기 순환 가스가 부족한 만큼 새로운 공기를 소기 포트에 도입한다. 제어용 컴퓨터(610)는 또한 배기 밸브의 컨트롤 샤프트를 회전 동작시키는 액추에이터(93)를 구동하는 기능을 구비하고 있다.
도 13은 본 실시예의 액추에이터(91)의 구동 제어를 플로차트로 나타낸 것이다. 예열이 끝나고, 배기 온도 검출 값이 적절한 값이 되면 액추에이터(91)는 항상 일정한 위치에 있고 제 1 밸브와 제 2 밸브는 비례하는 개구량이 되는데, 배기 온도 검출 값이 높을 때(또는 배기 촉매 온도가 높아진다고 예상될 때)는 로드를 밀어, 제 2 밸브의 개구량을 상대적으로 늘리고, 배기 온도 검출 값이 낮을 때(또는 배기 촉매 온도가 낮아진다고 예상될 때)는 로드를 당겨, 제 2 밸브의 개구량을 줄인다. 본 제어의 논리는 단순한 것이므로 반드시 컴퓨터 등으로 제어할 필요는 없다. 예를 들면, 열에 의해 팽창하는 유체로 액추에이터를 구동하는 시스템이라도 제어할 수 있다.
도 14는 본 실시예의 배기 온도 검출 값에 대한 제 1 밸브 개방도에 대한 제 2 밸브 개방도를 맵에 나타낸 것이다. 전자 제어를 수행하는 경우에는 제 2 밸브 가 항상 작동 범위 내에 있도록 이와 같은 맵이 된다.
도 15는 본 실시예의 배기 온도 검출 값에 대한 배기 밸브(32)가 열리는 타이밍을 나타낸 제어 맵이다. 각도는 소기 도입 행정 종료점인 피스톤 하사점으로부터 몇도 앞쪽에서 배기 밸브를 열 것인지를 크랭크각으로 나타내고 있다. 기본적으로 일정 온도 이하에서는 소기 행정에서의 개방각을 넓히고, 일정 온도 이상에서는 서서히 개방각을 줄인다. 또, 제 1 밸브가 닫혔을 때에는 소기 도입 행정에서 배기 밸브를 열 필요가 없기 때문에, 그 경우에도 개방각을 줄인다. 개방각이 최저인 경우에도 소기 행정에서의 밸브 리프트량을 확보하기 위해 하사점 후 10°에서 닫는다. 컴퓨터(610)는 그 맵에서 각 검출 값에 대한 액추에이터(93)의 작동 목표값을 산출하여, 적절한 위치에 액추에이터를 동작시킨다. 본 실시예에서는 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 사용하고 있으므로 연속적으로 밸브 개방도를 변화시키고 있지만, 도 9와 같은 캠을 전환하는 방식의 가변 밸브 기구에서는 제 1 밸브 개방도와 온도에 의한 1개의 라인보다 위가 되면 예열캠에서 표준캠으로 전환한다. 본 실시예에서 산소 농도의 조정은 연료 공급량을 조정함으로써 수행하고 있는데, 배기 밸브를 소기 흡기시에 여는 경우에는 배기가 도입되는 만큼 소기의 도입량이 감소할 것을 고려하여 수행하고 있다.
도 16은 본 실시예의 기관 회전수 검출 값과 기관 토크에 대한 소기 포트 밸브(43B)의 개방도의 제어 맵이다. 제어용 컴퓨터(610)는 먼저, 기관 회전수 검출 값과 제 1 밸브 개방도 검출 값으로부터 기관 토크를 추정한다. 그 다음, 이 기관 토크와 기관 회전수 검출 값으로부터 해당 맵에 의해 소기 포트 밸브의 목표 개방 도를 읽어내어, 적절한 위치에 액추에이터(94)를 동작시킨다. 기본적으로는 공급 가능한 순환가스량에 대해서 소기가 부족한 영역에서 소기 포트 밸브(43B)를 열어 부족분의 새로운 공기를 도입한다. 따라서, 소기 포트(41)의 압력을 감지하여, 압력이 낮아진 경우에 소기 포트 밸브를 여는 제어를 수행해도 마찬가지이다. 제어용 컴퓨터(610)는 촉매의 산소 농도가 낮아 환원 분위기가 되어 있는 경우나 배기 온도가 지나치게 높은 경우에는 새로운 공기의 비율을 높이는 방향, 즉, 소기 포트 밸브를 여는 방향으로 보정한다.
6사이클 기관은 연비 경기차에 사용되었다고 전해지며, 그 실적으로부터 연비에 대한 잠재력이 높다는 것은 알려져 왔지만, 사용된 기관의 구체적인 내용이 공개되지 않고, 반면, 시장에서는 4사이클 기관이 기술적으로 완성되어 있으며, 4사이클 기관에 비해 동일 회전수로 폭발 회수가 적어 출력 저하가 예상되는 등, 본격적으로 양산화를 위한 검토가 이루어진 형적이 없다. 그러나, 실제로 검토해보면, 1)압축비를 높일 수 있으므로 연비 효율이 향상하고, 2)흡기시의 연소실 온도가 4사이클 기관에 대해서 낮으므로 충전 효율이 향상하며, 3)흡기가 시작될 때에 연소실에 남아있는 가스는 소기이므로 산소가 존재하기 때문에 그만큼 연료의 농도가 진한 혼합기의 사용이 가능하다고 하는 이유로부터 6사이클 기관의 출력은 동일한 배기량의 4사이클 기관에 매우 근접한 출력을 낼 수 있다는 것을 알게 되었다.
또한, 본 발명의 각 과제 해결 수단에 의해, 우려되었던 촉매의 상태를 정밀하게 제어하는 수단을 확립할 수 있고, 그 결과, 실용화시의 모든 문제가 해결되었 다. 즉, 본 발명에 의한 6사이클 기관의 이용가능성은 연비가 우수한 내연기관을 필요로 하는 모든 이용 용도에 대해서 존재한다.

Claims (10)

  1. 흡기 포트에 제 1 밸브와 연료 공급 장치를 구비하고, 소기 포트에 제 2 밸브를 구비하며, 이들 밸브는 액셀 조작에 연동하여 동작하는 수단과, 액추에이터의 동작에 의해 제 1 밸브의 개방도와 제 2 밸브의 개방도를 상대적으로 변화시킬 수 있는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 예혼합식 6사이클 기관.
  2. 흡기 포트에 제 1 밸브를 구비하고, 소기 포트에 제 2 밸브를 구비하며, 이들 밸브는 액셀 조작에 연동하여 동작하는 수단과, 액추에이터의 동작에 의해 제 1 밸브의 개방도와 제 2 밸브의 개방도를 상대적으로 변화시킬 수 있는 수단을 구비하고, 소기를 모두 배기 순환 가스로 치환 가능한 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 6사이클 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    소기를 모두 배기 순환 가스로 치환 가능한 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 6사이클 기관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    흡기 행정시에 흡기 밸브와 소기 밸브의 양쪽 밸브가 열리는 것을 특징으로 하는 6사이클 기관.
  5. 제 2 항에 있어서,
    흡기 밸브가 소기 도입 행정시에도 열리고, 또 그 소기 도입 행정시의 밸브 개방각을 변화시킬 수 있는 연속 가변 밸브 타이밍 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 6사이클 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항의 6사이클 기관의 밸브 제어 시스템으로서,
    배기 촉매의 온도를 감지하는 수단을 구비하고, 배기 촉매의 온도에 의해 제 1 밸브와 제 2 밸브의 상대적인 개방도를 제어하는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
    배기 밸브에 가변 밸브 타이밍 기구를 구비하고, 상기 가변 밸브 타이밍 기구는 배기 행정과 소기 배기 행정에서 배기 밸브를 여는 노멀 모드와, 배기 행정과 소기 도입 행정과 소기 배기 행정에서 여는 예열 모드로 서로 이행(移行) 가능한 것을 특징으로 하는 6사이클 기관.
  8. 제 7 항의 6사이클 기관의 가변 밸브 타이밍 기구의 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로서,
    상기 컴퓨터는 배기 촉매의 상태를 감지하는 수단과, 상기 가변 밸브 타이밍 기구의 밸브 개방각을 변화시키는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
    제 2 밸브와는 별도로 소기 포트의 상류에 소기 포트 밸브를 구비하고, 상기 소기 포트 밸브와 제 2 밸브의 중간에 배기 포트로부터 배기 가스를 순환 공급하는 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 6사이클 기관.
  10. 제 9 항의 6사이클 기관의 소기 포트 밸브의 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로서,
    상기 컴퓨터는 배기 촉매 상태를 감지하는 수단과, 제 1 밸브의 개방도를 감지하는 수단과, 소기 포트 밸브의 개구량을 변화시키는 액추에이터를 구동하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 제어 시스템.
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