JP5516896B2

JP5516896B2 - 可変動弁装置付内燃機関

Info

Publication number: JP5516896B2
Application number: JP2011008880A
Authority: JP
Inventors: 英夫中井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP2012149574A

Description

本発明は、吸気バルブのカムの位相を変更可能な可変動弁装置付内燃機関に関するものである。

従来より、吸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内燃機関が知られている。更に、１つの気筒に吸気バルブが複数備えられた内燃機関に上記カム位相可変機構を採用し、内燃機関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内燃機関では、例えば低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させ、ポンピングロスを低減させることが可能となる。更には、吸気バルブが極力吸気行程中に開弁するように制御することで、体積効率を向上させ出力トルクを確保することも可能である。

また、吸気バルブを駆動する吸気カムに２個のカム山を設けた内燃機関の動弁装置も提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の動弁装置では、メインのカム山の他に設けられたサブカム山によって、吸気行程の直前に吸気弁を開弁させることで、内部ＥＧＲを促進させる効果が得られる。

特許第３７００４８５号公報

しかしながら、上記のように複数の吸気バルブの一部の開閉時期を変化させる内燃機関では、例えば構造上の制約により吸気バルブの遅角量を大きく確保することが困難な場合がある。したがって、出力トルクを確保しつつ、特に低負荷時や冷態始動時において燃焼効率を向上させ、燃費や燃焼安定性を向上させることが可能な可変動弁装置付内燃機関が望まれている。

また、引用文献２のようにメインカム山の他に吸気行程の直前に開弁させるサブカム山を設けた内燃機関では、例え内部ＥＧＲを促進させて排気浄化性能が向上できたとしても、低負荷時で燃焼効率を向上させることは困難である。
本発明の目的は、１つの気筒に複数備えられた吸気バルブの開閉時期を変更可能な可変動弁装置付内燃機関において、燃焼効率の向上を図ることにある。

上記目的を達成するため、請求項１の可変動弁装置付内燃機関は、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るとともに、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内燃機関であって、内燃機関の点火時期を制御する点火制御手段を備えるとともに、第１の吸気カムに複数のカム山が備えられ、カム山は、少なくとも吸気行程で第１の吸気バルブを開弁させるメインカム山と、メインカム山による前記第１の吸気バルブの開弁前に吸気行程で第１の吸気バルブを開弁させるサブカム山と、を含んで構成され、サブカム山による第１の吸気バルブの開弁期間とメインカム山による第１の吸気バルブの開弁期間との間に、吸気行程中に前記第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブが閉弁する閉弁期間が設けられ、点火制御手段は、内燃機関の所定の低回転低負荷運転状態において閉弁期間に点火されるように内燃機関の点火時期を制御することを特徴とする。

また、請求項２の可変動弁装置付内燃機関は、請求項１において、サブカム山による第１の吸気バルブの開弁期間とメインカム山による第１の吸気バルブの開弁期間とに亘って第２の吸気バルブが開弁可能となるように、第２の吸気カムのカム山が形成されていることを特徴とする。

また、請求項３の可変動弁装置付内燃機関は、請求項１または２において、点火時期制御手段が、閉弁期間で点火した後、第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブがともに閉弁した圧縮行程以降に、２回目の点火を行うよう制御することを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置付内燃機関によれば、吸気行程中に第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブが閉弁する閉弁期間が設けられるので、この吸気行程中の閉弁期間においてピストンの下降に伴い筒内が負圧となる。したがって、筒内に流入した吸気中に含まれる燃料が霧化し易くなり、その後に吸気行程で筒内に流入した吸気と混合して、吸気全体の燃焼効率を向上させることが可能となる。
また、内燃機関の所定の低回転低負荷運転状態において、サブカム山とメインカム山との間の閉弁期間に点火することで、サブカム山による開弁期間に筒内に流入した吸気を吸気行程中に燃焼させ筒内圧を上昇させることができる。したがって、内燃機関の低回転低負荷運転時に吸気行程でのポンピングロスを低下させることができ、燃費を向上させることができる。

本発明の請求項２の可変動弁装置付内燃機関によれば、サブカム山による第１の吸気バルブの開弁期間とメインカム山による第１の吸気バルブの開弁期間とに亘って第２の吸気バルブが開弁するので、吸気行程において筒内に吸気を連続的に供給することが可能となる。したがって、体積効率を増大させることが可能となり、出力トルクを向上させることができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置付内燃機関によれば、閉弁期間で点火した後、第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブがともに閉弁した圧縮行程以降に、２回目の点火を行うので、閉弁期間での点火により筒内温度が上昇することによって、２回目の点火時での燃焼効率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内燃機関の概略構成図である。バルブ及びポートの配置を示す説明図である。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部分上面図である。第２の吸気カムの取付部の構造を示す断面図である。第１の吸気カムの形状を示す構造図である。第１の実施形態でのバルブのリフト量の推移を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低速低負荷時、（Ｂ）はスロットル全開時を示す。第１の実施形態での低速低負荷時における筒内容積と筒内圧との関係を示すＰＶ線図である。第２の実施形態でのバルブのリフト量の推移及び点火時期を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低速低負荷時、（Ｂ）はスロットル全開時を示す。第２の実施形態での低速低負荷時における筒内容積と筒内圧との関係を示すＰＶ線図である。

以下、図面に基づき本願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内燃機関（以下、エンジン１という）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。

図２は、エンジン１の各バルブ及びポートの配置を示す説明図である。
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は部分上面図、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を駆動するカム山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。

カム位相可変機構２０は、第１の吸気カムシャフト２１の一端部に配置されている。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。

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３４が接続されている。カム位相可変機構２０は、エンジン１のオイルポンプ３５からオイルコントロールバルブ３４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。

図６は、第１の吸気カム１０の形状を示す構造図である。
図７は、本願発明の第１の実施形態での各バルブのリフト量の推移を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低速低負荷時、（Ｂ）はスロットル全開時を示す。
本願発明の第１の実施形態では、更に、図６に示すように、第１の吸気カム１０に２つのカム山１０ａ、１０ｂが形成されている。図７に示すように、２つのカム山１０ａ、１０ｂのうち、排気後始めに第１の吸気バルブ１２を開弁する第１のカム山（サブカム山）１０ａは、第１の吸気バルブ１２の開弁開始時期が吸気行程の開始時期である上死点に一致するように形成され、吸気行程の初期に第１の吸気バルブ１２が開弁するように設定されている。２つのカム山１０ａ、１０ｂのうち第２のカム山１０ｂ（メインカム山）は、吸気行程で開弁が開始されるように設けられており、第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとの間は第１の吸気バルブ１２が開弁しない平坦部となっている。即ち、第１の吸気カム１０により駆動される第１の吸気バルブ１２は、吸気行程において第１のカム山１０ａによる開弁期間と第２のカム山１０ｂによる開弁期間との間に、第１の吸気バルブ１２が閉弁する閉弁期間が設けられている。例えば、第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとは相似形状になっており、第１のカム山１０ａの高さは第２のカム山１０ｂの高さの１／５に設定されている。また、第２のカム山１０ｂによる開弁開始時期が吸気行程の中間時期と一致し、第２のカム山１０ｂによる開弁期間の半分が吸気行程中に開弁するとともに、残りの半分が続けて圧縮行程で開弁するように設定されている。よって、第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとの間の第１の吸気バルブ１２の閉弁期間は、吸気行程の３／１０の期間を占めるように設定されている。

第２の吸気カム１１によって開弁する第２の吸気バルブ１３の開弁時期は、上述のようにカム位相可変機構２０によって変更可能となっており、第２の吸気バルブ１３の開弁開始時期が吸気行程の開始時期と第２のカム山１０ｂによる開弁期間の開始時期との間で可変可能となるように設定されている。また、第２の吸気カム１１は、第１のカム山１０ａによる第１の吸気バルブ１２の開弁期間と第２のカム山１０ｂによる第１の吸気バルブ１２の開弁期間とに亘って、第２の吸気バルブ１３が開弁できるように設定されている。

図１に示すように、ＥＣＵ４０（点火制御手段）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、上記オイルコントロールバルブ３４の他に、吸気ポート１９内に燃料を噴射する燃料噴射弁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、オイルコントロールバルブ３４を駆動制御、即ちカム位相可変機構２０を作動制御する。

本実施形態では、ＥＣＵ４０は、低速低負荷時には、図７（Ａ）に示すように、第２の第２の吸気バルブ１３の開弁開始時期が第１の吸気バルブ１２の第２のカム山１０ｂによる開弁開始時期と略一致するように、カム位相可変機構２０を遅角制御する。
また、ＥＣＵ４０は、スロットル全開時には、図７（Ｂ）に示すように、第２の吸気バルブ１３の開弁開始時期が吸気行程開始時期に一致するように、カム位相可変機構２０を進角制御する。

なお、本実施形態では、いずれの運転状態においても、点火時期が第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の開弁期間を終え、圧縮した後に点火するように設定されている。
図８は、本願発明の第１の実施形態の低速低負荷時における筒内容積Ｖと筒内圧Ｐとの関係を示すＰＶ線図である。

以上のように制御することで、第１の実施形態のエンジン１では、第１のカム山１０ａによる開弁期間と第２のカム山１０ｂによる閉弁期間との間に、吸気行程中に第１の吸気バルブ１２が閉弁する閉弁期間が設けられるとともに、低速低負荷時において当該閉弁期間に第２の吸気バルブ１３も閉弁するので、この吸気行程中の閉弁期間では図８に示すように、ピストンの下降に伴って筒内圧が低下し負圧となる。したがって、第１のカム山１０ａによる開弁期間に筒内に流入した混合気が減圧されて燃料が霧化し易くなり、その後に筒内に流入した混合気と混合して、混合気全体の燃焼効率を向上させることができる。

一方、スロットル全開時では、第１のカム山１０ａによる開弁期間と第２のカム山１０ｂによる開弁期間との両方に亘って第２の吸気バルブ１３が開弁するので、吸気行程において筒内に吸気を連続的に供給することが可能となる。したがって、体積効率を増大させることが可能となり、出力トルクを向上させることができる。また、このとき、第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとの間の第１の吸気バルブ１２の閉弁期間では、第２の吸気バルブ１３のみ開弁する片側開弁期間となり、筒内でスワールが発生し易くなり燃焼効率も向上させることができる。

したがって、カム位相可変機構２０を備えた可変動弁装置付内燃機関において、カムプロフィールの変更とカム位相可変機構２０の制御により、更に新規の装置を追加することなく、スロットル全開時では出力トルクを十分に確保することができるとともに、低速低負荷時では燃焼効率を向上させて燃費や燃焼安定性の向上を図ることが可能となる。
次に、図９及び図１０を用いて本願発明の第２の実施形態について説明する。

図９は、第２の実施形態での各バルブのリフト量の推移及び点火時期を示すタイムチャートであり、（Ａ）は低速低負荷時、（Ｂ）はスロットル全開時を示す。
図１０は、第２の実施形態での低速低負荷時における筒内容積Ｖと筒内圧Ｐとの関係を示すＰＶ線図である。
第２の実施形態は、上記第１の実施形態に対して、更に下記のように点火時期を制御する点が異なる。カム位相可変機構２０の制御については、第１の実施形態と同様に行われる。

図９（Ａ）に示すように、ＥＣＵ４０は、低速低負荷時において、第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の開弁期間後に行われる点火（メイン点火）の他に、第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとの間の閉弁期間にも点火（プレ点火）を行うように、点火プラグ４４による点火時期を制御する。
図９（Ｂ）に示すように、スロットル全開時には、第１の実施形態と同様にメイン点火のみ行われる。

以上のように制御することで、第２の実施形態では、低速低負荷時では、吸気行程前半の第１のカム山１０ａと第２のカム山１０ｂとの間の閉弁期間において点火が行なわれるので、第１のカム山１０ａによる第１の吸気バルブ１２の開弁によって流入した少量の混合気が燃焼して、図１０に示すように吸気行程において筒内圧が上昇するとともに、筒内温度も上昇する。したがって、吸気行程の後半における第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の開弁により吸入した混合気の温度が上昇して、着火し易い状態となり、メイン点火時の燃焼効率を向上させることができる。

また、筒内圧が上昇することで、排気行程での筒内圧と吸気行程の筒内圧との差によって表される（図１０中斜線部）ポンピングロスを低減させることができる。このように、燃焼効率の向上及びポンピングロスの低減により低速低負荷時での燃費を向上させることができる。
また、プレ点火時には、第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３のいずれも閉弁しているので、バックファイヤが起こり難くなるとともに、吸気行程での必要以上の燃焼を防止して、出力低下を抑制することができる。

一方、スロットル全開時では、プレ点火が行われないので、第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の開弁時に流入した混合気の全てを圧縮してメイン点火により燃焼させるので、出力を最大限確保することができる。
なお、上記第１及び第２の実施形態では、低速低負荷時には吸気行程に第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の双方が閉弁する閉弁期間が設けられ、スロットル全開時には吸気行程での第１の吸気バルブ１２の閉弁期間中に第２の吸気バルブ１３が開弁するようにカム位相可変機構２０を制御しているが、本願発明はこれに限定するものではない。例えば低速低負荷時以外にも冷態始動時のように燃焼効率を要求する運転状態である場合に吸気行程に第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の閉弁期間を設け、出力トルクを要求するような運転状態である場合に吸気行程での第１の吸気バルブ１２の閉弁期間中に第２の吸気バルブ１３を開弁させるように制御すればよい。また、第２の吸気バルブ１３の開弁時期を連続的に可変させてもよい。更に、第２の実施形態においては、第２の吸気バルブ１３の開弁時期の変更に応じてプレ点火の有無を制御すればよく、この場合第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の双方が閉弁する閉弁期間を確保した上でプレ点火を許可するようにすればよい。

１エンジン
１０第１の吸気カム
１０ａ第１のカム山
１０ｂ第２のカム山
１１第２の吸気カム
１１ｂカム山
１２第１の吸気バルブ
１３第２の吸気バルブ
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るとともに、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内燃機関であって、
前記内燃機関の点火時期を制御する点火制御手段を備えるとともに、
前記第１の吸気カムに複数のカム山が備えられ、
前記カム山は、少なくとも吸気行程で前記第１の吸気バルブを開弁させるメインカム山と、前記メインカム山による前記第１の吸気バルブの開弁前に前記吸気行程で前記第１の吸気バルブを開弁させるサブカム山と、を含んで構成され、
前記サブカム山による前記第１の吸気バルブの開弁期間と前記メインカム山による前記第１の吸気バルブの開弁期間との間に、前記吸気行程中に前記第１の吸気バルブ及び前記第２の吸気バルブが閉弁する閉弁期間が設けられ、
前記点火制御手段は、前記内燃機関の所定の低回転低負荷運転状態において前記閉弁期間に点火されるように前記内燃機関の点火時期を制御することを特徴とする可変動弁装置付内燃機関。
前記サブカム山による前記第１の吸気バルブの開弁期間と前記メインカム山による前記第１の吸気バルブの開弁期間とに亘って前記第２の吸気バルブが開弁可能となるように、前記第２の吸気カムのカム山が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置付内燃機関。
前記点火時期制御手段が、前記閉弁期間で点火した後、前記第１の吸気バルブ及び前記第２の吸気バルブがともに閉弁した圧縮行程以降に、２回目の点火を行うよう制御することを特徴とする請求項１または２に記載の可変動弁装置付内燃機関。