JP2014125881A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】アトキンソンサイクルが適用される内燃機関の始動時や低回転時の吸気量の不足を回避する。
【解決手段】吸気バルブに付随する可変バルブタイミング機構を、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて稼働する液圧ポンプが吐出する作動液の圧力を利用して、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対的な回動を惹起するものとし、クランクシャフトが回転せず液圧ポンプが作動液を吐出しない状況では、吸気カムシャフトの回転位相が最も進角した初期位置にあり、クランクシャフトが回転して液圧ポンプが作動液を吐出する状況では、吸気カムシャフトの回転位相を当該初期位置から遅角方向に変化させるように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気バルブの開閉タイミングを制御できる可変バルブタイミング機構が付帯したアトキンソンサイクル内燃機関に関する。

車両等に搭載される内燃機関について、吸気バルブタイミングを可変制御できる可変バルブタイミング機構を備えたものが知られている。この種の可変バルブタイミング機構は、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて稼働する機械式の液圧ポンプが吐出する作動液の圧力を利用して、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させるものである。

可変バルブタイミング機構の用途の一つとして、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）の実現が挙げられる（例えば、下記特許文献を参照）。即ち、吸気バルブタイミングを、排気上死点よりも遅いタイミングで開き、かつ吸気下死点よりも遅いタイミングで閉じるように設定することで、実効的に圧縮行程のストローク長を膨張行程のストローク長よりも短縮する。実圧縮比よりも実膨張比を大きくとるアトキンソンサイクルは、排熱量を減少させて熱効率を高めることができる点で有利である。

特開２０００−３２０３５６号公報

機械式の液圧ポンプが吐出する作動液圧を駆動源とする可変バルブタイミング機構では、内燃機関（のクランクシャフト）の回転が停止しているときに、吸気カムシャフトの回転位相が最も遅角した初期位置をとることが通例である。

そのような可変バルブタイミング機構を用いるアトキンソンサイクル機関では、作動液圧が低い始動時や低回転時において、吸気バルブの開閉タイミングが顕著に遅角した状態となる。それ故、比較的排気量の小さい内燃機関にアトキンソンサイクルを適用しようとすると、始動時または低回転時に気筒に充填される吸気量が極めて少なく、実圧縮比も小さくなる。このため、機関の始動性が悪化したり、車両に搭載されたブレーキブースタに供給するべき吸気負圧が不足したりするおそれがあった。

機関の確実な始動を担保するためには、電動機によって内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するクランキングの期間を長くとり、液圧ポンプの吐出圧力を高める必要がある。だが、クランキング期間の延長は、始動の遅れに直結する上、電力消費による燃費性能の低下を招き、好ましくない。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、アトキンソンサイクルが適用される内燃機関の始動時または低回転時の吸気量の不足を回避することを所期の目的としている。

本発明では、クランクシャフトに対する吸気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の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が付帯したアトキンソンサイクル内燃機関であって、前記可変バルブタイミング機構が、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて稼働する液圧ポンプが吐出する作動液の圧力を利用して、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対的な回動を惹起するものであり、クランクシャフトが回転せず液圧ポンプが作動液を吐出しない状況では、吸気カムシャフトの回転位相が最も進角した初期位置にあり、クランクシャフトが回転して液圧ポンプが作動液を吐出する状況では、吸気カムシャフトの回転位相を当該初期位置から遅角方向に変化させることができる内燃機関を構成した。

本発明によれば、アトキンソンサイクルが適用される内燃機関の始動時または低回転時の吸気量の不足を回避できる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。 同可変バルブタイミング機構による吸気バルブタイミングの制御範囲を示す図。 同可変バルブタイミング機構の要部を示す斜視図。 同内燃機関における運転領域と設定するべき吸気バルブタイミングとの関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の駆動タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｎを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液（作動油）が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される機械式のものである。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、気筒１におけるノッキングの発生の有無を検出するノックセンサから出力されるノック信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、吸気バルブタイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態の内燃機関は、可変バルブタイミング機構６を介して吸気バルブの開閉タイミングを制御することにより、アトキンソンサイクルを具現し得る。図３に、本実施形態の内燃機関の吸気バルブタイミングを示す。図３中、実線は吸気バルブタイミングが最も進角した状態での吸気バルブの開弁期間を表し、破線は吸気バルブタイミングが最も遅角した状態での吸気バルブの開弁期間を表す。また、一点鎖線は、排気バルブの開弁期間を表す。

吸気バルブタイミングを最進角させると、吸気バルブが排気上死点よりも早いタイミング（例えば、上死点前１０°ＣＡ（クランク角度））で開き、吸気下死点よりも遅いタイミング（例えば、下死点後３０°ＣＡ）で閉じる。このとき、内燃機関の実圧縮比、換言すれば吸気バルブの閉弁から圧縮上死点までの期間の長さと、実膨張比、換言すれば圧縮上死点から排気バルブの開弁までの期間の長さとはほぼ等しくなる。つまりは、オットーサイクル機関となる。吸気バルブと排気バルブとがともに開弁しているバルブオーバラップの期間は、さほど長くはない（１５°ＣＡ程度）。

吸気バルブタイミングを遅角させてゆくと、吸気バルブが排気上死点よりも遅いタイミングで開き、しかもこの吸気バルブが吸気下死点からかなり遅れたタイミングで閉じるようになる。結果、内燃機関の実膨張比が実圧縮比を超越するアトキンソンサイクル機関となる。

しかして、本実施形態では、吸気バルブに付随する可変バルブタイミング機構６をクランクシャフトが回転せず液圧ポンプ８２が作動液を吐出しない状況において、吸気バルブタイミングが最も進角した状態をとるように、可変バルブタイミング機構６を構成することとしている。

図４は、吸気バルブタイミングが最も進角した状態、即ち可変バルブタイミング機構６及び吸気カムシャフトが初期位置にある状態を示している。この初期位置では、進角室６１２の容積は最大であり、遅角室６１１の容積は最小（ほぼ０）である。

本実施形態における可変バルブタイミング機構６には、進角アシストスプリング（図示せず）を付設している。このアシストスプリングにより、ロータ６２及び吸気カムシャフトは、吸気バルブタイミングが進角する方向（図２及び図４における時計回り方向）に弾性付勢されている。

図４に示しているように、この可変バルブタイミング機構６は、ロータ６２を初期位置に保定するためのロックピン６３を備えている。ロックピン６３は、付勢スプリング（図示せず）により、ベーン６２１から突出する方向に弾性付勢されている。一方で、このロックピン６３は、進角室６１２または遅角室６１１に供給される作動液の圧力を受けると、ベーン６２１内に没入する。

液圧ポンプ８２が作動液を吐出しないか、またはその吐出圧力が低いときには、ロータ６２及び吸気カムシャフトがハウジング６１及び吸気側スプロケット７２に対し相対的に進角方向に回動して、究極的には図４に示す初期位置へと帰還する。さらに、ベーン６２１内に没入していたロックピン６３がベーン６２１外へと突出し、初期位置に帰還したロータ６２を当該初期位置に保定する。

内燃機関を停止すると、液圧ポンプ８２から可変バルブタイミング機構６に供給される作動液圧が０となり、ロータ６２及び吸気カムシャフトが初期位置をとり、吸気バルブタイミングが最も進角した状態となる。従って、内燃機関の始動時にはオットーサイクルとなり、始動のために必要十分な量の吸気を気筒１に充填することが可能となって、始動性が良化する。

また、エンジン回転数の低いアイドリング時等においても、気筒１に充填される吸気量を確保しつつ、スロットルバルブ３２下流の吸気負圧を高めることができ、ブレーキブースタの能力が向上する（ブレーキの効きがよくなる）。

ＥＣＵ０は、内燃機関の現在の運転領域に応じて、吸気バルブタイミングを初期位置である最進角状態から遅角させる量を決定し、可変バルブタイミング機構６を制御する。図５に、本実施形態の内燃機関における、運転領域と設定するべき吸気バルブタイミングとの関係を例示する。吸気バルブタイミングは、中負荷中回転の運転領域にて最遅角状態となり、そこからエンジン回転数及び／または負荷が偏倚するほど進角する。アクセル開度が全閉に近く要求負荷が低いときや、アクセル開度が全開に近く要求負荷が高いときには、吸気バルブタイミングは最進角状態となる。

本実施形態では、クランクシャフトに対する吸気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の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構６が付帯したアトキンソンサイクル内燃機関であって、吸気バルブに付随する可変バルブタイミング機構６が、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて稼働する液圧ポンプ８２が吐出する作動液の圧力を利用して、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対的な回動を惹起するものであり、クランクシャフトが回転せず液圧ポンプ８２が作動液を吐出しない状況では、吸気カムシャフトの回転位相が最も進角した初期位置にあり、クランクシャフトが回転して液圧ポンプ８２が作動液を吐出する状況では、吸気カムシャフトの回転位相を当該初期位置から遅角方向に変化させることができる内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、アトキンソンサイクル機関でありながら、始動時や低回転時にはオットーサイクル機関またはそれに近いものとなり、吸気量及び吸気の圧縮圧力の不足を回避できる。機関始動の際に、徒にクランキング期間を引き延ばす必要もなくなる。

加えて、機関始動時のバルブオーバラップ量が少ないことは、機関の始動性のより一層の向上に寄与する。

中負荷程度の運転領域では、吸気バルブタイミングを初期位置から遅角させてアトキンソンサイクル化し、燃費性能の向上を図ることができる。

作動液圧（油圧）系統の故障等により、可変バルブタイミング機構６に十分な液圧を供給できなくなった場合には、吸気バルブタイミングが自然に最進角状態に復帰する。このことは、液圧系統の故障等に対するフェイルセーフとして機能する。

因みに、最進角状態を初期位置とする可変バルブタイミング機構６には、既製の排気バルブ用の可変バルブタイミング機構を流用することが可能であり、低コストで実装できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。

６…可変バルブタイミング機構
８２…液圧ポンプ

Claims (1)

1. クランクシャフトに対する吸気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の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が付帯したアトキンソンサイクル内燃機関であって、
   前記可変バルブタイミング機構が、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて稼働する液圧ポンプが吐出する作動液の圧力を利用して、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対的な回動を惹起するものであり、
   クランクシャフトが回転せず液圧ポンプが作動液を吐出しない状況では、吸気カムシャフトの回転位相が最も進角した初期位置にあり、クランクシャフトが回転して液圧ポンプが作動液を吐出する状況では、吸気カムシャフトの回転位相を当該初期位置から遅角方向に変化させることができる内燃機関。

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