JP5553049B2

JP5553049B2 - 内燃機関の動弁装置

Info

Publication number: JP5553049B2
Application number: JP2011058301A
Authority: JP
Inventors: 知由小郷; 孝小川; 勝広伊藤; 一康岩田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP2012193672A

Description

吸気弁の開閉タイミングを変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の動弁装置に関する。

内燃機関が備える吸排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変動弁機構が知られている。可変動弁機構は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる。このような可変動弁機構を備える装置において、１つの気筒に複数備えられた吸気弁をそれぞれ独立に制御するものが、特許文献１に開示されている。

特許文献１の動弁装置における、複数の吸気バルブの開閉タイミングを独立して制御する構成では、吸気バルブ毎に設けられたカムの位相を変更することにより、それぞれの吸気バルブの開閉タイミングを制御している。

特開２００９−１４４５２１号公報

ところで、吸排気バルブの開駆動に伴い、カムシャフトへカムトルクが働く。可変動弁機構では、このカムトルクがカムの位相の進角を妨げる方向に働くため、進角時の位相の変更速度が低下し、進角時の位相の変更に時間を要する。一方、吸排気バルブの開動作に伴うカムトルクは、カムの位相の遅角を妨げない。このため、遅角時の位相の変更速度は低下しない。従って、可変動弁機構により、吸気バルブに動作に係るカムを進角する場合と、遅角する場合とでは、カムの位相の変更速度が異なる。このため、カムの位相を変更する場合、進角する場合と遅角する場合とのカムの変更速度の差を考慮していないと、複数の吸気バルブの開閉タイミングを変更する過渡期において、複数の吸気バルブの閉弁時期の遅れを引き起こすことがある。このような吸気バルブの閉弁時期の遅れが、吸気行程下死点経過後まで及ぶと、筒内に取り込んだ吸入空気が必要以上に抜け出ることがあり、その結果、内燃機関の実圧縮比の低下を招き、失火することが考えられる。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、吸気弁の閉弁時期の遅れによる失火を抑制する内燃機関の動弁装置を提供する。

かかる課題を解決する本発明の内燃機関の動弁装置は、筒内に異なる気流を生み出すように形成された第１吸気ポート、及び第２吸気ポートと、前記第１吸気ポートを開閉する第１吸気弁の開閉動作にかかる第１カムと、前記第２吸気ポートを開閉する第２吸気弁の開閉動作にかかる第２カムとを設けたカム軸を有し、前記第１吸気弁の開閉タイミングと前記第２吸気弁の開閉タイミングとを独立して変更する可変動弁部と、を備え、前記可変動弁部は、内燃機関が高負荷で運転される状態になった場合には前記第１吸気弁を前記第２吸気弁より先に開弁させ、前記内燃機関が低負荷で運転される状態になった場合には前記第２吸気弁を前記第１吸気弁より先に開弁させることによって、前記内燃機関が前記高負荷で運転される状態と前記低負荷で運転される状態とにおいて前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開閉順序を入れ替え、前記可変動弁部は、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開閉順序を入れ替える場合、閉弁時期の遅れにより生じる失火を回避可能な時期に、前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁を閉弁することを特徴とする。この構成により、筒内に取り込んだ吸入空気の吹き戻りによる筒内空気の減少を抑制することにより、実圧縮比の低下を防ぎ、失火を抑制することができる。

上記の内燃機関の動弁装置において、失火を回避可能な前記時期は、前記内燃機関の回転数、及び負荷に基づき決定することができる。内燃機関の回転数、及び負荷により、燃料噴射量が変更され、失火の発生する可能性も変化するため、内燃機関の回転数、及び負荷を制御目標値の決定要素とすることができる。

上記の内燃機関の動弁装置において、前記第１吸気ポートは燃焼室内に強いスワール流を生成させるポートであり、前記第２吸気ポートは燃焼室内に弱いスワール流を生成させるポートである構成とすることができる。この構成により、内燃機関が高負荷で運転する場合、空気と燃料との混合を促進し、スモークの低減ができる。また、内燃機関が低負荷で運転する場合、ＨＣ、ＣＯの発生を抑制することができる。

また、上記の内燃機関の動弁装置において、前記可変動弁部は、失火を回避可能なときの実圧縮比を目標に、前記時期を設定することとしてもよい。

本発明は、吸気弁の閉弁時期の制御目標値を設けることにより、筒内に取り込んだ吸入空気の吹き戻りによる筒内空気の減少を抑制し、吸気弁の閉弁時期の遅れによる失火を抑制することができる。

動弁装置が組み込まれた内燃機関の概略構成図である。燃焼室と第１吸気ポート、第２吸気ポートの概略構成図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。可変動弁機構の概略構成図であって、（ａ）は可変動弁機構、第１吸気弁と第２吸気弁を示した斜視図であり、（ｂ）は可変動弁機構の構造を示した模式図である。第１吸気弁、及び第２吸気弁についてのクランク角に対するバルブリフト量を示した説明図であって、（ａ）は、第１吸気弁を進角させた場合を示し、（ｂ）は、第２吸気弁を進角させた場合を示している。吸気弁の開閉タイミングを変更した際の内燃機関のスワール比と実圧縮比の関係を示した説明図である。内燃機関の負荷、回転数に対応する燃焼室内の最適なスワール流の強度を示した説明図である。吸気閉弁時期を算出する吸気閉弁時期マップを示した説明図である。

以下、本発明を実施するための一形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例における内燃機関１の動弁装置２の構成について説明する。図１は動弁装置２が組み込まれた内燃機関１の概略構成図である。内燃機関１は圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。動弁装置２は可変動弁機構３と、内燃機関１の各種制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit）４とを備えている。可変動弁機構３とＥＣＵ４とは可変動弁部として機能する。

内燃機関１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、第１吸気弁１４ａ、第２吸気弁１４ｂと、２つの排気弁１５ａ、１５ｂと、燃料噴射弁１６とを備えている。シリンダブロック１１には気筒１１ａが形成されている。気筒１１ａ内にはピストン１３が収容されている。シリンダブロック１１の上面にはシリンダヘッド１２が固定されている。シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２及びピストン１３により囲まれる空間は、燃焼室１０として形成されている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１０へ噴孔を向けた燃料噴射弁１６が設けられている。

シリンダヘッド１２には第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂと２つの排気ポート１２２ａ、１２２ｂが形成されている。第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂは燃焼室１０に吸入空気を導き、排気ポート１２２ａ、１２２ｂは燃焼室１０から排気ガスを排出する。第１吸気弁１４ａは第１吸気ポート１２１ａに設けられている。第１吸気弁１４ａは第１吸気ポート１２１ａを開閉する。第２吸気弁１４ｂは第２吸気ポート１２１ｂに設けられている。第２吸気弁１４ｂは第２吸気ポート１２１ｂを開閉する。排気弁１５ａ、１５ｂは各々排気ポート１２２ａ、１２２ｂに設けられている。排気弁１５ａ、１５ｂは排気ポート１２２ａ、１２２ｂを開閉する。

次に、第１吸気ポート１２１ａと第２吸気ポート１２１ｂとについて説明する。図２は、燃焼室１０と第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂの概略構成図である。図２（ａ）は燃焼室１０と第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂの斜視図であり、図２（ｂ）は燃焼室１０と第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂの平面図である。第１吸気ポート１２１ａと第２吸気ポート１２１ｂとは、筒内に異なる気流を生み出すように形成されている。第１吸気ポート１２１ａは燃焼室１０の気筒壁面に沿うように吸入空気を導く形状に形成されている。燃焼室１０の気筒壁面に沿うように吸入空気を導く形状の一例として、タンジェンシャルポートがある。第１吸気ポート１２１ａは、気筒壁面に沿うように吸入空気を導くため、燃焼室１０内に強いスワール流ｆ_１を生成する。この第１吸気ポート１２１ａを流れる流量が多くなるほど、燃焼室１０内に生成するスワール流の強度が高まる。また、第２吸気ポート１２１ｂは螺旋状に形成されている。螺旋状に形成された吸気ポートの一例としてヘリカルポートがある。第２吸気ポート１２１ｂは燃焼室１０の中央へ弱いスワール流ｆ_２を導く。第２吸気ポート１２１ｂから供給される吸入空気は、燃焼室１０内の中央に留まり、拡散が抑制される。本実施例では、第１吸気ポート１２１ａが主流ポートとして機能し、第２吸気ポート１２１ｂが従属ポートとして機能する。

次に、可変動弁機構３について説明する。可変動弁機構３は第１吸気弁１４ａ、及び第２吸気弁１４ｂの開閉動作を制御する機構である。図３は可変動弁機構３の概略構成図である。図３（ａ）は可変動弁機構３、第１吸気弁１４ａと第２吸気弁１４ｂを示した斜視図であり、図３（ｂ）は可変動弁機構３の構造を示した模式図である。

可変動弁機構３は、カムシャフト３１、第１カム３２、第２カム３３、位相変更機構３４を備えている。図３（ｂ）に示すように、カムシャフト３１は二重構造のシャフトであり、同一の回転中心線を持つ外部カムシャフト３１ａと、内部カムシャフト３１ｂとを備えている。外部カムシャフト３１ａは中空構造であり、外部カムシャフト３１ａの内部に内部カムシャフト３１ｂが相対回転可能に挿入されている。第１カム３２は、外部カムシャフト３１ａに設けられている。第１カム３２は第１吸気弁１４ａに対応させて設けられており、第１吸気弁１４ａの開閉作動を行う。第２カム３３は外部カムシャフト３１ａ上を周方向に摺動可能に設けられている。第２カム３３は内部カムシャフト３１ｂと結合されている。第２カム３３は外部カムシャフト３１ａに周方向に沿って設けられた長穴を通じて、内部カムシャフト３１ｂと結合ピン３３ａで結合されている。第２カム３３は第２吸気弁１４ｂに対応させて設けられており、第２吸気弁１４ｂの開閉作動を行う。

位相変更機構３４は、クランクシャフト（図示しない）の位相に対して、外部カムシャフト３１ａ、内部カムシャフト３１ｂの位相を変更する。また、位相変更機構３４は、外部カムシャフト３１ａに対する内部カムシャフト３１ｂの位相を変更する。すなわち、位相変更機構３４は、第１吸気弁１４ａの開閉タイミングを進角、遅角するとともに、第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングを進角、遅角することができる。これにより、第１吸気弁１４ａの開閉タイミングと第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングとが独立して変更される。

図４は第１吸気弁１４ａ、及び第２吸気弁１４ｂについてのクランク角に対するバルブリフト量を示した説明図である。図４（ａ）は、第１吸気弁１４ａを進角させた場合を示し、図４（ｂ）は、第２吸気弁１４ｂを進角させた場合を示している。図４の縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はクランク角を示している。クランク角は吸気行程上死点を０（°ＡＴＤＣ）としている。また、図４の実線は第１吸気弁１４ａのバルブリフト量を示し、破線は第２吸気弁１４ｂのバルブリフト量を示している。図４に示すように、可変動弁機構３は、第１吸気弁１４ａを進角すること、及び第２吸気弁１４ｂを進角することができる。同様に、第１吸気弁１４ａを遅角すること、第２吸気弁１４ｂを遅角することもできる。また、第１吸気弁１４ａ、第２吸気弁１４ｂの両方を同時に進角することも、遅角することもできる。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、内燃機関１の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして内燃機関１を制御する。特に、本実施例において、ＥＣＵ４は、位相変更機構３４と電気的に接続されており、各種センサから得られた内燃機関１の運転状態に基づき、位相変更機構３４を制御する。すなわち、可変動弁機構３による第１吸気弁１４ａ、第２吸気弁１４ｂの開閉動作や開閉タイミングはＥＣＵ４により制御されている。

このように、第１吸気弁１４ａ、第２吸気弁１４ｂの開閉制御により第１吸気弁１４ａ、第２吸気弁１４ｂが開弁することにより、第１吸気ポート１２１ａ、第２吸気ポート１２１ｂを介して燃焼室１０内に吸入空気が供給される。

次に、本実施例における吸気弁の開閉動作に関する制御の特徴を説明する。まず、燃焼室１０内のスワール流について説明する。図６は内燃機関１の負荷、回転数に対応する燃焼室１０内の最適なスワール流の強度を示した説明図である。図６の縦軸は内燃機関１の負荷を示し、横軸はクランクシャフトの回転数を示している。図６に示すように、内燃機関１の負荷が低い場合には、スワール流の強度を弱くして噴霧拡散を抑制し、ＨＣやＣＯを抑制することが求められる。反対に、内燃機関１の負荷が高い場合には、スワール流の強度を強くして燃料噴霧と空気との混合を促進し、均一な燃焼を行い、スモークを抑制することが求められる。

ところで、吸入空気が燃焼室１０内に形成する気流は、先に開いたポート側からの気流に支配される。このため、第１吸気弁１４ａが第２吸気弁１４ｂよりも先に開弁する場合には、第１吸気ポート１２１ａから供給された気流により、燃焼室１０内には強いスワール流ｆ_１が形成される。反対に、第２吸気弁１４ｂが第１吸気弁１４ａよりも先に開弁する場合には、第２吸気ポート１２１ｂから供給された気流により、燃焼室１０内には弱いスワール流ｆ_２が形成される。従って、動弁装置２は、燃焼室１０内に要求される気流の特性に応じて、第１吸気弁１４ａと第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングを制御する。

図５は、吸気弁の開閉タイミングを変更した際の内燃機関１のスワール比と実圧縮比の関係を示した説明図である。図５の縦軸はスワール比を示し、横軸は実圧縮比を示している。スワール比と実圧縮比との関係は、第１吸気ポート１２１ａから供給される吸入空気が、燃焼室１０内の気流を支配するほど、図５中に示す矢示Ａ方向に進む。すなわち、第１吸気弁１４ａの開閉タイミングが第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングより進角するほど、スワール流が強化され、実圧縮比が減少する。反対に、第２吸気ポート１２１ｂから供給される吸入空気が、燃焼室１０内の気流を支配するほど、スワール比と実圧縮比との関係は、図５中に示す矢示Ｂ方向に進む。すなわち、第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングが第１吸気弁１４ａの開閉タイミングより進角するほど、スワール流の発生が抑制される。

従って、上記の図５の関係より、動弁装置２は、内燃機関１の運転状態が高負荷となるほど、第１吸気弁１４ａの開閉タイミングを第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングより進角し、スワール流を強化する。反対に、動弁装置２は、内燃機関１の運転状態が低負荷となるほど、第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングを第１吸気弁１４ａの開閉タイミングより進角し、スワール流の発生を抑制する。

内燃機関１を運転するとき、内燃機関１の運転状態は常に変動する。すなわち、内燃機関１の運転状態は、低負荷で運転される場合と高負荷で運転される場合とが混在する。従って、燃焼室１０内の気流を適切に制御するために、動弁装置２は、第１吸気弁１４ａと第２吸気弁１４ｂの開閉順序を入れ替える処理を行う必要がある（パーシャル領域）。上記の通り、第１吸気弁１４ａと第２吸気弁１４ｂの開閉順序を入れ替える処理は、第１カム３２、第２カム３３の位相を入れ替える動作により実現される。ところが、２つのカムの位相を入れ替える際に、進角方向に位相を変更するカムは、吸気弁からの反力を受け、位相の変更速度が遅れる。この遅れによって、吸気弁の閉弁時期が遅くなりすぎると、気筒内へ吸入した空気が吸気ポートへ吹き返すため、燃焼室１０内の空気量が減少して、失火を引き起こす原因となる。

この現象に対して、動弁装置２は、閉弁時期の遅れにより生じる失火を回避可能な時期に、第１吸気弁１４ａ及び第２吸気弁１４ｂを閉弁する。具体的に説明すると、動弁装置２は、内燃機関１の負荷、回転数に応じた吸気閉弁時期（ＩＶＣ）を制御目標値として設定する。この制御目標値は、第１吸気弁１４ａ、または第２吸気弁１４ｂの閉弁時期の遅れにより生じる失火を回避することのできる期間の中から選択される。動弁装置２は、設定された制御目標値よりも早く遅角側の吸気弁を閉弁するとともに、遅角側の吸気弁が進角側の吸気弁よりも先に開弁しないように、第１吸気弁１４ａ、及び第２吸気弁１４ｂの開閉タイミングを決定し、制御する。ここで、遅角側の吸気弁とは、バルブリフトの時期が遅い方の吸気弁を示している。

本実施例では、吸気閉弁時期の制御目標値は、図７に示す吸気閉弁時期マップから算出し設定する。図７の縦軸は内燃機関１の負荷、横軸は回転数を示している。図７のマップでは、原点に近づくほど、吸気閉弁時期が下死点（ＢＤＣ）に近づき（早く閉じる）、原点から離れるほど下死点（ＢＤＣ）から遠ざかる（遅く閉じる）ことを意味している。吸気閉弁時期マップは予め行われた実験や計算などから作成されている。また、動弁装置２では、吸気閉弁時期の制御目標値を、吸気弁の閉弁時期の遅れにより生じる失火が回避可能な最も遅い時期としてもよい。

内燃機関１の運転状態が低回転低負荷であるほど、燃料の噴射量が少なく失火しやすい。このため、吸気閉弁時期マップに示すように、吸気閉弁時期の目標値を下死点に近づける。これにより、燃焼室１０内の吸入空気の減少を抑制し、実圧縮比の低下を抑制する。この結果、失火を抑制し、ドライバビリティの悪化を防ぐ。反対に失火の可能性の低い高回転高負荷時には、吸気閉弁時期の目標値を遅らせ、ポンプ損失を低減し熱効率を向上する。

なお、動弁装置２は、第１吸気弁１４ａと第２吸気弁１４ｂの開閉順序を入れ替える場合に、内燃機関１の実圧縮比を所定値以上に維持するように制御してもよい。この場合の所定値は、失火を回避可能なときの実圧縮比の値である。動弁装置２は、ＥＣＵ４の制御により、失火を回避可能なときの実圧縮比を目標に、吸気閉弁時期を設定する。

本実施例は、ディーゼルエンジンに備えた可変動弁機構の運転を確立する。１つの燃焼室に対して設けた複数の吸気弁の動作が互いに影響を及ぼす点に着目し、複数の吸気弁を互いの動作状態を考慮して協調制御する。本実施例の内燃機関１の動弁装置２は、燃焼室１０内に取り込んだ吸入空気の吹き戻りによる筒内空気の減少を抑制し、実圧縮比の低下を防ぎ、失火を抑制することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、位相変更機構３４は、実施例で説明した構成に限定されず、その駆動方式も油圧式、電動式、機械式のいずれであってもよい。

１内燃機関
２動弁装置
３可変動弁機構（可変動弁部の一部）
４ＥＣＵ（可変動弁部の一部）
１０燃焼室
１４ａ第１吸気弁
１４ｂ第２吸気弁
３１カムシャフト
３２第１カム
３３第２カム
１２１ａ第１吸気ポート
１２１ｂ第２吸気ポート

Claims

筒内に異なる気流を生み出すように形成された第１吸気ポート、及び第２吸気ポートと、
前記第１吸気ポートを開閉する第１吸気弁の開閉動作にかかる第１カムと、前記第２吸気ポートを開閉する第２吸気弁の開閉動作にかかる第２カムとを設けたカム軸を有し、前記第１吸気弁の開閉タイミングと前記第２吸気弁の開閉タイミングとを独立して変更する可変動弁部と、
を備え、
前記可変動弁部は、内燃機関が高負荷で運転される状態になった場合には前記第１吸気弁を前記第２吸気弁より先に開弁させ、前記内燃機関が低負荷で運転される状態になった場合には前記第２吸気弁を前記第１吸気弁より先に開弁させることによって、前記内燃機関が前記高負荷で運転される状態と前記低負荷で運転される状態とにおいて前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開閉順序を入れ替え、
前記可変動弁部は、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁の開閉順序を入れ替える場合、閉弁時期の遅れにより生じる失火を回避可能な時期に、前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁を閉弁することを特徴とする内燃機関の動弁装置。
失火を回避可能な前記時期は、前記内燃機関の回転数、及び負荷に基づき決定される請求項１記載の内燃機関の動弁装置。
前記第１吸気ポートは燃焼室内に強いスワール流を生成させるポートであり、
前記第２吸気ポートは燃焼室内に弱いスワール流を生成させるポートであることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の動弁装置。
前記可変動弁部は、失火を回避可能なときの実圧縮比を目標に、前記時期を設定する請求項１乃至３のいずれか一項記載の内燃機関の動弁装置。