JP4054711B2

JP4054711B2 - 可変動弁式内燃機関

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Publication number: JP4054711B2
Application number: JP2003116054A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　敬; 義寛助川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: US20070245993A1; US20040206334A1; DE602004005373D1; EP1471231A1; EP1471231B1; US7357119B2; DE602004005373T2; JP2004324428A; US7240664B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車両で使用される可変動弁式内燃機関に関し、特に、吸気バルブのリフト量、開弁期間を連続的に制御することにより吸入空気量制御を行う可変動弁式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用内燃機関の燃費低減を目的として、リフト量、開弁期間を可変設定できる吸気バルブによって吸入空気量制御を行う可変動弁式内燃機関が普及しつつある。可変動弁式内燃機関として、一つの気筒毎に二つの吸気ポートとその各吸気ポートを個別に開閉する吸気バルブを有し、内燃機関の低回転領域においては、一方の吸気バルブをエンジン負荷の高低にかかわらず閉弁固定し、他方の吸気バルブのリフト量、開弁期間の少なくとも一方をエンジン負荷の増大に対応して連続して徐々に大きくすることにより、吸入空気量制御を行い、同時に燃焼室内のスワール制御を行うものがある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３３２０４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示されているような従来の可変動弁式内燃機関では、エンジン低回転数運転域で、一部の吸気バルブの休止制御を行うため、低回転高負荷領域において吸入空気量が不足すると考えられる。
【０００５】
また、従来の可変動弁式内燃機関では、低吸入空気量領域での吸気バルブのリフト量、開弁期間のばらつき（誤差）による吸入空気量のばらつきを低減することの考慮がなされていない。吸入空気量のばらつき、特に、低吸入空気量領域の吸入空気量のばらつきは、混合気（燃料−空気）の空燃比の制御精度を大きく低下し、エンジン性能を悪化する。
【０００６】
本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、吸気バルブのリフト量や開弁期間を連続的に制御することにより吸入空気量制御を行うことができる可変動弁機構付きの内燃機関において、吸入空気量が不足する虞れがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減して高精度な吸入空気量制御を行うことができる可変動弁式内燃機関及び制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明による可変動弁式内燃機関は、一つの気筒毎に複数個の吸気ポートとその各吸気ポートを個別に開閉する吸気バルブを有し、吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方を連続的に可変設定する可変動弁機構を備え、吸気バルブにより吸入空気量の制御を行う可変動弁式内燃機関において、一つの気筒における前記複数個の吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方が各吸気バルブ毎に各々個別に可変設定可能に構成され、内燃機関の吸入空気量等の運転状態に応じて一つの気筒における前記複数個の吸気バルブの動作モードをそれぞれ独立に設定制御する制御手段を有する。
【０００８】
この発明による可変動弁式内燃機関によれば、一つの気筒における複数個の吸気バルブの動作モード（リフト量あるいは／および開弁期間）が制御手段によって内燃機関の運転状態に応じてそれぞれ独立に設定され、各吸気バルブ毎の動作モードの適正設定により、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することが可能になる。
【０００９】
本発明による可変動弁式内燃機関では、前記制御手段は、低空気量領域においては、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうちの少なくとも１つの吸気バルブの休止を行い、中、高空気量領域においては、低空気量領域において作動させた吸気バルブおよびその他の吸気バルブを作動させる。これにより、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが低減する。
【００１０】
本発明による可変動弁式内燃機関は、一つの気筒に設けられた複数個の吸気ポートおよびそれに対応する吸気バルブの径が異なる。この場合、前記制御手段は、低空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、径の大きい方の吸気バルブを休止させ、中、高空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブの全てを作動させる。これにより、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが低減する。
【００１１】
また、前記制御手段は、中空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、径の大きい方の吸気バルブを作動させ、径の小さい方の吸気バルブの休止を行い、高空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブの全てを作動させる。これにより、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが低減する。
【００１２】
また、前記制御手段は、低空気量領域から高空気量領域に移る過渡時には、低空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に増加させ、これとは、反対に、高空気量領域から低空気量領域に移る過渡時には、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、低空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に増加させる。これにより、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが低減する。
【００１３】
また、前記制御手段は、低空気量領域において作動させる吸気バルブから高空気量領域において作動させる吸気バルブに作動させるバルブを切り換える際に、後者の最小吸入空気量が前者の最大吸入空気量以上とする。
また、前記制御手段は、低空気量領域から中〜高空気量領域に移る過渡変化時において、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低空気量領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量の低下幅を変化させることもでき、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡運転に適合した過渡特性が得られる。
【００１４】
また、本発明による可変動弁式内燃機関は、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低負荷運転領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量を過渡変化する前に比べて低下させると共に、高負荷運転領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量を過渡変化する前に比べて増加させることを禁止する。
【００１５】
また、本発明による可変動弁式内燃機関は、低空気量領域では吸気バルブ上流に負圧を発生させる手段を有し、低空気量領域では一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、一つの吸気バルブにより吸入空気量制御を行う。これにより、低空気量領域では吸気バルブのリフト量、開弁期間を拡大でき、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが、より一層低減する。
【００１６】
また、本発明による可変動弁式内燃機関は、一つの気筒に配設された前記複数個の吸気ポートの各々に個別に燃料噴射を行う燃料噴射弁を有し、前記複数個の吸気ポートへのそれぞれの燃料噴射量が一つの気筒に設けられた吸気バルブを通過するそれぞれの空気量により決定される。これにより、複数個の吸気ポートにおける混合気の生成が不均一になることがない。
【００１７】
また、上述の目的を達成するために、本発明による可変動弁式内燃機関の制御方法は、一つの気筒毎に複数個の吸気ポートとその各吸気ポートを個別に開閉する吸気バルブを有し、吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方を連続的に可変設定する可変動弁機構を備え、吸気バルブにより吸入空気量の制御を行う可変動弁式内燃機関の制御方法において、一つの気筒における前記複数個の吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方を、内燃機関の運転状態に応じてそれぞれ個別に制御する。
【００１８】
この発明による可変動弁式内燃機関の制御方法によれば、一つの気筒における複数個の吸気バルブの動作モード（リフト量あるいは／および開弁期間）が制御手段によって内燃機関の運転状態に応じてそれぞれ独立に設定され、各吸気バルブ毎の動作モードの適正設定により、吸入空気量不足が生じることがなく、リフト量、開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本発明による可変動弁式内燃機関の実施形態１を示している。可変動弁式内燃機関１００は、自動車用ガソリンエンジンであり、シリンダブロック１に形成されたシリンダホア３内にピストン４を往復動可能に有する。ピストン４はコネクティングロッド２によって図示しないクランク機構に連結されている。シリンダブロック１の上部にはシリンダヘッド５が取り付けられている。シリンダヘッド５はピストン４との間に燃焼室６を画定している。なお、図１では、一つの気筒（燃焼室６）のみを示しているが、通常、自動車用ガソリンエンジンは、４気筒、６気筒等の多気筒エンジンである。
【００２０】
シリンダヘッド５には、吸気ポート１１、排気ポート２１が形成されている。また、シリンダヘッド５には、火花点火用の点火プラグ９が取り付けられていると共に、吸気ポート１１を開閉する吸気バルブ７、排気ポート２１を開閉する排気バルブ８が各々取り付けられている。吸気ポート１１、排気ポート２１、吸気ポート１１を開閉する吸気バルブ７、排気ポート２１を開閉する排気バルブ８は、各気筒毎に２個設けられている（図２参照）。
【００２１】
吸気バルブ７には、リフト量、開弁期間および位相を連続的に変更可能とする可変動弁機構１０が設けられている。吸気バルブ７の上流側には吸気ポート１１へ燃料を噴射する燃料噴射弁１２が取り付けられている。
内燃機関１００は、ピストン４の往復動作（吸気行程）によって負圧となる燃焼室６に吸気ポート１１より空気を吸入する。燃料噴射弁１２より吸気ポート１１に噴射された燃料は、燃焼室６に吸入される吸入空気と共に燃焼室６に吸入される。
【００２２】
燃焼室６内に吸入された燃料は、燃焼室６内に吸入された空気と混合し、点火プラグ９により点火され、燃焼する。燃焼室６の既燃焼ガス、すなわち排気ガスはピストン４の往復動作（排気行程）によって排気ポート２１から燃焼室６外に排出される。
【００２３】
コントロールユニット１３は、コンピュータ式のものであり、エンジン制御部１６、可変動弁制御部１７、インジェクタ駆動回路１８および変速機制御部１９などを含み、各種のセンサの出力信号から内燃機関１００の運転状態を検出し、その検出結果に応じて内燃機関１００に装着されている可変動弁機構１０、燃料噴射弁１２、点火プラグ９を制御する。
【００２４】
コントロールユニット１３に各種センサからの入力される信号を以下に示す。本実施形態では、クランク角、気筒判別信号、スロットル開度、アクセルペダル踏量、ブレーキペダル踏量、吸気温度、吸入空気量、水温、排気温度、排気酸素濃度が、コントロールユニット１３に入力される。図中には、吸入空気量センサ１４、スロットル開度センサ１５のみを示してある。
各気筒に対する燃料噴射および点火時期はコントロールユニット１３により制御され、噴射パルス信号および点火信号は、コントロールユニット１３において演算処理され、噴射および点火時期を制御している。
【００２５】
本実施形態の内燃機関１００では、ポンプ損失低減による燃費向上を目的として、可変動弁機構１０を備えた吸気バルブ７を用いることにより、吸入空気量制御を行うことができる。可変動弁機構１０を備えた吸気バルブ７を用いて吸入空気量制御を行う際、部分負荷運転領域において、吸気バルブ７のリフト量および開弁期間を連続的に可変することにより、吸入空気量を制御している。ポンプ損失が最も大きく発生するのは、従来、スロットルが全閉状態となるアイドル運転領域であるため、本実施形態に記載の可変動弁機構を用いることにより、最も燃費低減効果が得られるのはアイドル運転領域である。
【００２６】
しかし、可変動弁機構でアイドル運転を行うためには吸気バルブのリフト量および開弁期間が極めて小さくする必要が生じるため、吸気バルブのリフト量および開弁期間のばらつきによるサイクル毎の吸入空気量のばらつきおよび気筒間の吸入空気量のばらつきが発生する。
【００２７】
そこで、本実施形態では、一つの気筒に設けられた２個の吸気バルブそれぞれのバルブシート径を異なるように構成している。図２にシリンダヘッド５をピストン４側から見たものを示す。本実施形態では、吸気ポート１１ａのバルブシート径の小さい吸気バルブ７ａと、吸気ポート１１ｂのバルブシート径の大きい吸気バルブ７ｂを有する構成としている。
【００２８】
さらには、可変動弁機構１０は、一つの気筒における吸気バルブ７ａ、７ｂのリフト量、開弁期間を各々個別に可変設定可能に構成されている。この可変動弁機構１０の制御手段であるコントロールユニット１３の可変動弁制御部１７は、内燃機関１００の運転状態に応じて一つの気筒における吸気バルブ７ａ、７ｂの動作モードをそれぞれ独立に設定制御する。ここで云う吸気バルブ７ａ、７ｂの動作モードとは、リフト量、開弁期間、位相の組合せを意味する。
【００２９】
図３は、本実施形態の可変動弁式内燃機関の吸気バルブ７ａ、７ｂの作動モードを示したものである。図３（ａ）は、トルクとエンジン回転数とにより決まる低〜高空気量領域（Ａ）〜（Ｄ）の分布例を示している。本実施形態での空気量（吸入空気量）は、エンジン１サイクル中に吸入される空気量を意味している。
【００３０】
具体的には、低空気量領域（Ａ）では、図３（ｂ）に示すように、吸気バルブ７ｂをゼロリフトとし、吸気バルブ７ａのリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより空気量制御を行う。中空気量領域（Ｂ）では、図３（ｃ）に示すように、吸気バルブ７ａをゼロリフトとし、吸気バルブ７ｂのリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより空気量制御を行う。高空気量領域（Ｃ）、（Ｄ）では、図３（ｄ）、（ｅ）に示すように、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの両方のリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより吸入空気量制御を行う。
【００３１】
高空気量領域における比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間をフルリフト状態よりも小さくすると共に位相を変化させることで吸入空気量を小さくし、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を大きくすると共に位相を変化させ、要求空気量と吸気バルブ７ｂを通過する空気量の差分が吸気バルブ７ａを通過して燃焼室６に供給されるよう制御する。
【００３２】
図２に示されている実施形態では、吸気バルブが２個としてあるが、吸気バルブが３個であっても構わない。吸気バルブが３個の場合には、バルブシート径の最も小さい吸気バルブを７ａ、それ以外の２個の吸気バルブを大径の吸気バルブ７ｂとすればよい。
【００３３】
上述したように、本実施形態では、低空気量領域（Ａ）においては、小径の吸気バルブ７ａのみで吸入空気量制御を行うので、一つの気筒に設けられた複数個の吸気バルブそれぞれを同様に制御して吸入空気量制御を行った場合に比べ、要求吸入空気量に適合する開口面積を確保するためのリフト量および開弁期間を拡大する必要がある。ここで云う開口面積は、１行程毎の単位時間当たりのポート開口面積である。
【００３４】
これにより、図４に示すように、低空気量領域（Ａ）における吸気バルブリフト量および開弁期間のばらつきによる空気量のばらつきを低減することができる。これは、吸気バルブ７ａのポート径が小さいので、リフト量、開弁期間のばらつき量に対する吸入空気量のばらつきの比率が小さいことを意味する。なお、図４中のリフトばらつき量は目標リフトからのばらつきを表し、吸入空気量のばらつきは目標空気量からのばらつきを表している。
【００３５】
吸気バルブ７ａのみで吸入空気量制御を行う低空気量領域（Ａ）では、各エンジン回転数において吸気バルブ７ａをフルリフトとした場合の空気量により決定される。なお、低空気量領域（Ａ）では、吸気バルブ上流に設けられたスロットルを閉じることで、吸気管内に負圧を与えて吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を拡大してもよい。これは、吸気管内に充満する空気量が減少するため、吸気バルブ７ａの開口面積を拡大して空気量を確保する必要が生じるためである。
【００３６】
中空気量領域（Ｂ）では、吸気バルブ７ｂのみで空気量制御を行うので、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの両バルブを作動させた場合に比べ、要求吸入空気量に適合する吸気バルブ７ｂの開口面積を確保するためにリフト量および開弁期間を拡大する必要がある。これにより、中空気量領域（Ｂ）における吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することができる。
【００３７】
中空気量領域（Ｂ）で、吸気バルブ７ａと吸気バルブ７ｂの両方を動作させない理由は、吸気バルブ７ａをゼロリフトとすることにより、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが加算されることを排除するためである。
吸気バルブ７ｂのみで吸入空気量制御を行う中空気量領域（Ｂ）は、各エンジン回転数において吸気バルブ７ｂをフルリフトとした場合の空気量により決定される。
【００３８】
高空気量領域（Ｃ）、（Ｄ）では、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの両方を作動させ、吸入空気量の確保を図る。高空気量領域において比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を最大に保持しながら吸気バルブ７ａをゼロリフトからリフト量および開弁期間を拡大した場合、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間のばらつきにより空気量にばらつきが発生する。
【００３９】
そこで、エンジン回転数により吸気バルブ７ｂを通過する空気量のばらつきが許容範囲内となるリフト量および開弁期間を与えた場合の吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を予め定めておき、高空気量領域において比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ａに予め定められたリフト量および開弁期間を与え、要求空気量からの吸気バルブ７ａを通過する空気量の差分を吸気バルブ７ｂのリフト量、開弁期間および位相を制御することにより与えることができる。
次に、本実施形態での過渡時における制御について図５を用いて説明する。ドライバ意図に応じてコントロールユニット１３により図５（ａ）に示すようにエンジン回転およびトルクの様々な変化が発生する。
【００４０】
図５（ａ）において目標空気量領域（Ａ）から（Ｂ）に変化する場合には、図５（ｂ）に示されているように、まず、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を増加させることにより、開口面積の増加を図る。吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間が構成上の最大値に達し、吸気バルブ７ａのみを作動させた場合に得られる最大の空気量に達すると、過渡変化中に、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を減少させると共に、これに同期して吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を増加させて開口面積を増加させる。吸気バルブ７ｂの開口面積の目標値は、ドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。最終的に吸気バルブ７ａの開口面積をゼロとする。
【００４１】
この制御を行う理由は以下のとおりである。吸気バルブ７ａの開口面積を最大値に保持したまま吸気バルブ７ｂの開口面積を増加させるように制御を行うとすると、吸気バルブ７ａのみを作動させた場合に得られる最大の空気量から僅かに大きい空気量が目標である場合、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を微小に増加させて開口面積を増加させる必要が生じるため、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが発生する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、吸気バルブ７ａの開口面積を減少させることによって、空気量確保のために吸気バルブ７ｂの開口面積を増加させる必要を生じさせている。この制御により、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を拡大することが可能となるため、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することができる。
【００４３】
最終的に吸気バルブ７ａの開口面積をゼロとすることにより、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを完全に排除することができる。なお、吸気バルブ７ａの開口面積をゼロとせずとも構わない。その場合には、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの開口面積の目標値は、ドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。
また、低空気量領域から中空気量領域に移る過渡変化時において、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低空気量領域において作動させる吸気バルブ７ａを通過する空気量の低下幅を変化させることもできる。
【００４４】
図５（ａ）において目標空気量領域（Ｂ）から（Ｃ）に変化する場合には、図５（ｃ）に示されているように、まず、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を増加させることにより、開口面積の増加を図る。吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間が構成上の最大値に達し、吸気バルブ７ｂのみを作動させた場合に得られる最大の空気量に達すると、過渡変化中に、吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を減少させると共に、これに同期して吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を増加させて開口面積を増加させる。吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの開口面積の目標値は、ドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。
【００４５】
この制御を行う理由は以下のとおりである。吸気バルブ７ｂの開口面積を最大値に保持したまま吸気バルブ７ａの開口面積を増加させるように制御を行うとすると、吸気バルブ７ｂのみを作動させた場合に得られる最大の空気量から僅かに大きい空気量が目標である場合、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を微小に増加させて開口面積を増加させる必要が生じるため、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが発生する。
【００４６】
そこで、本実施形態では、吸気バルブ７ｂの開口面積を減少させることによって、空気量確保のために吸気バルブ７ａの開口面積を増加させる必要を生じさせている。この制御により、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間を拡大することが可能となるため、吸気バルブ７ａのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することができる。これにより、吸入空気量のばらつきに起因する混合気の空燃比の制御精度の低下が解消され、エンジン性能の向上が図られる。
【００４７】
図５（ａ）において目標空気量領域（Ｃ）から（Ｄ）に変化する場合には、図５（ｄ）に示されているように、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間を増加させることにより開口面積の増加を図る。目標空気量領域（Ｃ）から（Ｄ）への過渡時では、吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂのリフト量および開弁期間が過渡中を通じて十分に大きい値を保持できるため、上述した目標空気量領域（Ａ）から（Ｂ）、目標空気量領域（Ｂ）から（Ｃ）の過渡変化時のような吸気バルブ制御を行う必要がない。吸気バルブ７ａおよび吸気バルブ７ｂの開口面積の目標値はドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。
【００４８】
なお、高空気量領域から低空気量領域に移る過渡時には、上述の制御とは、逆に、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブ７ｂによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、低空気量領域において作動させる吸気バルブ７ａによる吸入空気量を過渡変化中に増加させる。
本実施形態では、一つの気筒に設けられた複数個の吸気バルブ７ａ、７ｂを通過する空気量がエンジンの運転領域により異なるため、本実施形態で示した吸気バルブの動作モード毎にそれぞれの吸気バルブの通過空気量に相応しい量の燃料を噴射する必要がある。図６に示すように、一つの気筒に配設された複数個の吸気ポート１１ａ、１１ｂ毎に個別に燃料噴射弁１２を設けるのが理想的である。
【００４９】
（実施形態２）
つぎに、本発明による可変動弁式内燃機関の実施形態２について説明する。本実施形態の可変動弁式内燃機関の全体構成は、図１に示されているものと同等であり、本実施形態のでは、一つの気筒に設けられた吸気バルブ７ｃ、７ｄのバルブシート径を互いに等しいように構成している。図７にシリンダヘッド５をピストン４側から見たものを示す。
【００５０】
本実施形態では、低空気量領域で使用する吸気バルブ７ｃと高空気量領域で使用する吸気バルブ７）を有する構成としている。さらには、エンジンの運転領域により一つの気筒に設けられた吸気バルブ７ｃ、７ｄそれぞれの動作モードを変化させている。本実施形態でも、吸気バルブの動作モードとは、リフト量、開弁期間、位相の組合せを意味する。
【００５１】
具体的には、図８に示すように、低空気量領域（Ａ）では、図８（ｂ）に示すように、吸気バルブ７ｄをゼロリフトとし、吸気バルブ７のリフト量、開弁期間および位相を制御することにより空気量制御を行う。高空気量領域（Ｃ）、（Ｄ）では、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、吸気バルブ７および吸気バルブ７ｄの両方のリフト量、開弁期間および位相を制御することにより吸入空気量制御を行う。なお、図８（ａ）は、トルクとエンジン回転数とにより決まる低〜高空気量領域（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）の分布例を示している。
【００５２】
高空気量領域において比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を小さくすると共に位相を変化させることで通過する空気量を小さくし、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間を大きくすると共に位相を変化させて要求空気量と吸気バルブ７を通過する空気量の差分が吸気バルブ７ｄを通過して燃焼室に供給されるよう制御する。
なお、本実施形態での空気量は、１サイクル中に吸入される空気量を意味している。図７では、吸気バルブが２個としてあるが、吸気バルブが３個であっても構わない。吸気バルブが３個の場合には、低空気量領域で使用する吸気バルブ７ｃ、それ以外の吸気バルブ７ｄとする。
【００５３】
上述したように、本実施形態でも、低空気量領域（Ａ）において吸気バルブ７ｃのみで空気量制御を行うので、一つの気筒に設けられた複数個の吸気バルブそれぞれを同様に制御して空気量制御を行った場合に比べ、要求吸入空気量に適合する開口面積を確保するためのリフト量および開弁期間を拡大する必要がある。これにより、図４に示すように、低空気量領域における吸気バルブリフト量および開弁期間のばらつきによる空気量のばらつきを低減することができる。これにより、吸入空気量のばらつきに起因する混合気の空燃比の制御精度の低下が解消され、エンジン性能の向上が図られる。
【００５４】
吸気バルブ７ｃのみで吸入空気量制御を行う低空気量領域（Ａ）は、各エンジン回転数において吸気バルブ７ｃをフルリフトとした場合の空気量により決定される。なお、低空気量領域（Ａ）では、吸気バルブ上流に設けられたスロットルを閉じることで吸気管内に負圧を与えて吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を拡大してもよい。これは、吸気管内に充満する空気量が減少するため、吸気バルブ７ｃの開口面積を拡大して空気量を確保する必要が生じるためである。
【００５５】
高空気量領域では、吸気バルブ７ｃおよび吸気バルブ７ｄの両方を作動させ、吸入空気量の確保を図る。高空気量領域において比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を最大に保持しながら吸気バルブ７ｄをゼロリフトからリフト量および開弁期間を拡大した場合、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間のばらつきにより空気量にばらつきが発生する。
【００５６】
そこで、エンジン回転数により吸気バルブ７ｄを通過する空気量のばらつきが許容範囲内となるリフト量および開弁期間を与えた場合の吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を予め定めておき、高空気量領域において比較的空気量が小さい領域（Ｃ）では、吸気バルブ７ｃに予め定められたリフト量および開弁期間を与え、要求空気量から吸気バルブ７ｃを通過する空気量の差分を吸気バルブ７ｄのリフト、開弁期間および位相を制御することにより与えることができる。
次に、本実施形態での過渡時における制御について図９を用いて説明する。ドライバ意図に応じてコントロールユニット１３により図９（ａ）に示すようにエンジン回転およびトルクの様々な変化が発生する。
【００５７】
図９（ａ）において目標空気量領域（Ａ）から（Ｃ）に過渡変化する場合には、図９（ｂ）に示されているように、まず、吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を増加させることにより、開口面積の増加を図る。吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間が構成上の最大値に達し、吸気バルブ７ｃのみを作動させた場合に得られる最大の空気量に達すると、過渡変化中に、吸気バルブ７ｃのリフト量および開弁期間を減少させると共に、これに同期して吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間を増加させて開口面積を増加させる。吸気バルブ７および吸気バルブ７ｄの開口面積の目標値は、ドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。
【００５８】
この制御を行う理由は以下のとおりである。吸気バルブ７ｃの開口面積を最大値に保持したまま吸気バルブ７ｄの開口面積を増加させるように制御を行うとすると、吸気バルブ７ｃのみを作動させた場合に得られる最大の空気量から僅かに大きい空気量が目標である場合、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間を微小に増加させて開口面積を増加させる必要が生じるため、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきが発生する。
【００５９】
そこで、本実施形態では、吸気バルブ７ｃの開口面積を減少させることによって、空気量確保のために吸気バルブ７ｄの開口面積を増加させる必要を生じさせている。この制御により、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間を拡大することが可能となるため、吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することができる。これにより、吸入空気量のばらつきに起因する混合気の空燃比の制御精度の低下が解消され、エンジン性能の向上が図られる。
また、低空気量領域から高空気量領域に移る過渡変化時において、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低空気量領域において作動させる吸気バルブ７ｃを通過する空気量の低下幅を変化させることもできる。
【００６０】
図９（ａ）において目標空気量領域（Ｃ）から（Ｄ）に変化する場合には、図９（ｃ）に示されているように、吸気バルブ７ｃおよび吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間を増加させることにより、開口面積の増加を図る。目標空気量領域（Ｃ）から（Ｄ）への過渡時では、吸気バルブ７ｃおよび吸気バルブ７ｄのリフト量および開弁期間が過渡中を通じて十分に大きい値を保持できるため、上述した目標空気量領域（Ａ）から（Ｃ）の過渡変化時のような吸気バルブ制御を行う必要がない。吸気バルブ７ｃおよび吸気バルブ７ｄの開口面積の目標値は、ドライバ意図から決定される目標空気量により決定される。
【００６１】
なお、この実施形態でも、高空気量領域から低空気量領域に移る過渡時には、上述の制御とは、逆に、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブ７ｄによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、低空気量領域において作動させる吸気バルブ７ｃによる吸入空気量を過渡変化中に増加させる。
本実施形態では、一つの気筒に設けられた吸気バルブ７ｃ、７ｄを通過する空気量がエンジンの運転領域により異なるため、本実施形態で示した吸気バルブ７ｃ、７ｄの動作モード毎にそれぞれの吸気バルブの通過空気量に相応しい量の燃料を噴射する必要がある。したがって、この場合も、図６に示すように、一つの気筒に配設された吸気ポート毎に燃料噴射弁１２を設けるのが理想的である。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による可変動弁式内燃機関によれば、一つの気筒に設けられた複数個の吸気バルブの動作モードをエンジンの運転領域により個々に変更することにより、吸気バルブのリフト量および開弁期間のばらつきによる吸入空気量のばらつきを低減することができ、吸入空気量のばらつきに起因する混合気の空燃比の制御精度の低下を解消し、エンジン性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の可変動弁式内燃機関のシステム図。
【図２】図１の可変動弁式内燃機関の吸気バルブシート径の構成を示す図。
【図３】図１の可変動弁式内燃機関の運転状態による吸気バルブの動作モードを示す図。
【図４】本発明の第１および第２実施形態の吸気バルブリフト量および開弁期間のばらつきによる空気量のばらつきの低減効果を示す図。
【図５】本発明の第１実施形態の過渡時における吸気バルブ動作の制御方法を示す図。
【図６】本発明の第１および第２実施形態の可変動弁式内燃機関の燃料噴射弁の配置を示す図。
【図７】本発明の第２実施形態の吸気バルブシート径の構成を示す図。
【図８】図７の第２実施形態の可変動弁式内燃機関の運転状態による吸気バルブの動作モードを示す図。
【図９】図７の第２実施形態の過渡時における吸気バルブ動作の制御方法を示す図。
【符号の説明】
１００内燃機関
１シリンダブロック
２コンロッド
３シリンダ
４ピストン
５シリンダヘッド
６燃焼室
７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）吸気バルブ
８排気バルブ
９点火プラグ
１０可変動弁機構
１１（１１ａ、１１ｂ）吸気ポート
１２燃料噴射弁

Claims

一つの気筒毎に複数個の吸気ポートとその各吸気ポートを個別に開閉する吸気バルブを有し、吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方を連続的に可変設定する可変動弁機構を備え、吸気バルブにより吸入空気量の制御を行う可変動弁式内燃機関において、
一つの気筒における前記複数個の吸気バルブのリフト量あるいは開弁期間の少なくとも何れか一方が各吸気バルブ毎に各々個別に可変設定可能に構成され、内燃機関の運転状態に応じて一つの気筒における前記複数個の吸気バルブの動作モードをそれぞれ独立に設定制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、低空気量領域においては、第２の吸気バルブをゼロリフトとし、第１の吸気バルブのリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより吸入空気量の制御を行い、中空気量領域では、第１の吸気バルブをゼロリフトとし、第２の吸気バルブのリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより吸入空気量の制御を行い、高空気量領域では、第１の吸気バルブおよび第２の吸気バルブの両方のリフト量、開弁期間および位相を可変設定することにより吸入空気量の制御を行うことを特徴とする可変動弁式内燃機関。
一つの気筒に設けられた複数個の吸気ポートおよびそれに対応する吸気バルブの径が異なることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、低空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、径の大きい方の吸気バルブを休止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、中空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、径の大きい方の吸気バルブを作動させ、径の小さい方の吸気バルブの休止を行い、高空気量領域では、一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブの全てを作動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、低空気量領域から高空気量領域に移る過渡時には、低空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、高空気量領域から低空気量領域に移る過渡時には、中、高空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に低下させると共に、低空気量領域において作動させる吸気バルブによる吸入空気量を過渡変化中に増加させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、低空気量領域において作動させる吸気バルブから高空気量領域において作動させる吸気バルブに作動させるバルブを切り換える際に、後者の最小吸入空気量が前者の最大吸入空気量以上とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
前記制御手段は、低空気量領域から中〜高空気量領域に移る過渡変化時において、過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低空気量領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量の低下幅を変化させることを特徴とする請求項５に記載の可変動弁式内燃機関。
過渡変化前の運転状態およびドライバが意図する過渡変化後の運転状態に応じて、低負荷運転領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量を過渡変化する前に比べて低下させると共に、高負荷運転領域において作動させる吸気バルブを通過する空気量を過渡変化する前に比べて増加させることを禁止することを特徴とする請求項５に記載の可変動弁式内燃機関。
低空気量領域では吸気バルブ上流に負圧を発生させる手段を有し、低空気量領域では一つの気筒に設けられた前記複数個の吸気バルブのうち、一つの吸気バルブにより吸入空気量制御を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
一つの気筒に配設された前記複数個の吸気ポートの各々に個別に燃料噴射を行う燃料噴射弁を有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の可変動弁式内燃機関。
前記複数個の吸気ポートへのそれぞれの燃料噴射量が一つの気筒に設けられた吸気バルブを通過するそれぞれの空気量により決定されることを特徴とする請求項１１に記載の可変動弁式内燃機関。