(57)【要約】【課題】圧縮行程中に気筒内のタンブル流が弱まることを抑えつつポンピングロスを低減することができる内燃機関を提供する。【解決手段】気筒２を開閉する吸気弁１３と、気筒２内にタンブル流を形成するための吸気ポート１１と、吸気弁１３を開閉駆動する可変動弁機構１５と、吸気行程中に吸気弁１３が開かれるメイン開弁期間Ｔ１とそのメイン開弁期間Ｔ１終了後で吸気行程に続く圧縮行程中に吸気弁１３が開かれるサブ開弁期間Ｔ２とが設けられるように可変動弁機構１５を制御するＥＣＵ２０とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒を開閉する吸気弁と、前記気筒内にタンブル流を形成するタンブル流形成手段と、前記吸気弁を開閉駆動する弁駆動手段と、吸気行程中に前記吸気弁が開かれる第１開弁期間とその第１開弁期間終了後で当該吸気行程に続く圧縮行程中に前記吸気弁が開かれる第２開弁期間とが設けられるように前記弁駆動手段を制御する弁制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記弁制御手段は、前記第２開弁期間を調整することによりポンピングロスが目標ポンピングロスとなるように前記弁駆動手段を制御する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記気筒内に形成されたタンブル流の流れ方向に沿って燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備えている請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
排気通路の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入するＥＧＲ手段をさらに備え、前記燃料噴射弁は、前記第２開弁期間に燃料を噴射する請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記気筒を開閉する排気弁と前記吸気弁との間に設けられた点火プラグをさらに備え、前記燃料噴射弁は、圧縮行程中かつ前記第２開弁期間の開始前に前記気筒の前記排気弁側に燃料を噴射する請求項３又は４に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気弁の開弁期間を制御する弁制御手段を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼促進のために乱れが必要であり、その乱れ生成のために気筒内にタンブル流を形成させる内燃機関が周知である。また、ポンピングロスを低減するために、吸気行程中に開弁した吸気弁の閉弁時期を圧縮行程中頃まで遅らせて圧縮行程中に気筒内の吸気を吸気通路に流出させるバルブ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜７が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−９８９６３号公報
【特許文献２】特開２０００−４５８０６号公報
【特許文献３】特開平６−３４６７６３号公報
【特許文献４】特開２００４−２２５６６２号公報
【特許文献５】特開２００１−２５４６４４号公報
【特許文献６】特開２００８−１０６６９０号公報
【特許文献７】特開２００８−６９６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
気筒内にタンブル流を形成させる内燃機関に特許文献１の装置を適用してポンピングロスを低減しようとすると、圧縮行程中に気筒内のタンブル流が吸気通路に流出して弱まるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、圧縮行程中に気筒内のタンブル流が弱まることを抑えつつポンピングロスを低減することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関は、気筒を開閉する吸気弁と、前記気筒内にタンブル流を形成するタンブル流形成手段と、前記吸気弁を開閉駆動する弁駆動手段と、吸気行程中に前記吸気弁が開かれる第１開弁期間とその第１開弁期間終了後で当該吸気行程に続く圧縮行程中に前記吸気弁が開かれる第２開弁期間とが設けられるように前記弁駆動手段を制御する弁制御手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明の内燃機関によれば、吸気行程中の第１開弁期間に気筒内にタンブル流が形成され、この吸気行程に続く圧縮行程中に第２開弁期間が設けられているので、第１開弁期間が終了してから第２開弁期間が開始するまでの間タンブル流が外部に流出することを抑えることができる。これにより、第２開弁期間が開始するまでに気筒内の空気と燃料とが均一に混合されるとともにタンブル流が乱れに変換されているので、第２開弁期間に気筒内の混合気の一部が外部に流出しても乱れ強さに与える影響を小さくすることができる。よって、圧縮行程中に気筒内の乱れが弱まることを抑えつつポンピングロスを低減することができる。
【０００８】
本発明の一形態において、前記弁制御手段は、前記第２開弁期間を調整することによりポンピングロスが目標ポンピングロスとなるように前記弁駆動手段を制御してもよい（請求項２）。この形態によれば、目標ポンピングロスを内燃機関の運転状態に基づいて設定すれば、内燃機関の燃費を効率的に向上させることができる。
【０００９】
本発明の一形態においては、前記気筒内に形成されたタンブル流の流れ方向に沿って燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備えてもよい（請求項３）。この形態によれば、燃料噴射弁による燃料噴射によって気筒内のタンブル流を強めることができる。
【００１０】
本発明の一形態においては、排気通路の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入するＥＧＲ手段をさらに備え、前記燃料噴射弁は、前記第２開弁期間に燃料を噴射してもよい（請求項４）。ＥＧＲ手段を備えた内燃機関では、ＥＧＲガス中に含まれるカーボン成分等が吸気弁にデポジットとして付着することがある。この形態によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気通路に流出する気流に乗って吸気通路に運ばれるので、その燃料によって吸気弁の表面を洗い流すことができる。これにより、吸気弁へのデポジットの付着を抑えることができる。
【００１１】
本発明の一形態においては、前記気筒を開閉する排気弁と前記吸気弁との間に設けられた点火プラグをさらに備え、前記燃料噴射弁は、圧縮行程中かつ前記第２開弁期間の開始前に前記気筒の前記排気弁側に燃料を噴射してもよい（請求項５）。この形態によれば、第２開弁期間が開始すると気筒の排気側に位置する混合気が吸気弁側に引寄せられる。これにより、点火プラグの周囲に混合気を位置させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上に説明したように、本発明の内燃機関によれば、吸気行程中の第１開弁期間に気筒内にタンブル流が形成され、この吸気行程に続く圧縮行程中に第２開弁期間が設けられているので、第１開弁期間が終了してから第２開弁期間が開始するまでの間タンブル流が外部に流出することを抑えることができる。これにより、第２開弁期間が開始するまでにタンブル流が乱れに変換されているので、第２開弁期間に気筒内の混合気の一部が外部に流出しても乱れ強さに与える影響を小さくすることができる。よって、圧縮行程後半の気筒内の乱れが弱まることを抑えつつポンピングロスを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る内燃機関の要部を示した図である。内燃機関（以下、エンジンと呼ぶことがある。）１は自動車の走行用動力源として搭載され、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４行程で１周期を終了する４ストローク１サイクルエンジンとして構成されている。エンジン１は、複数（図では１つ）の気筒２が形成されたシリンダブロック３と、それら気筒２を塞ぐようにシリンダブロック３の上部に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２のそれぞれに吸気を導くための吸気通路５と、気筒２からの排気が導かれる排気通路６とを備えている。気筒２には、図示しないクランク軸にコンロッドを介して連結されたピストン７が往復運動可能な状態で挿入されている。ピストン７の上面には凹部８が形成されている。気筒２の天井面略中央には点火プラグ９が設けられ、吸気通路５の外周側には気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が設けられている。図２は、図１の気筒２の拡大図であり、図中の矢印Ｆは燃料噴射弁１０の燃料の噴射方向を示している。この図に示すように、燃料噴射弁１０は、タンブル流の流れ方向（矢印Ａ）に沿って燃料を噴射するように設定されている。
【００１４】
吸気通路５は、シリンダヘッド４に形成されて気筒２内にタンブル流を形成するタンブル流形成手段としての吸気ポート１１を含んでいる。排気通路６は、シリンダヘッド４に形成されて気筒２に開口する排気ポート１２を含んでいる。吸気ポート１１にはこれを開閉する吸気弁１３が、排気ポート１２にはこれを開閉する排気弁１４がそれぞれ設けられている。吸気弁１３は弁駆動手段としての可変動弁機構１５にて開閉駆動され、この可変動弁機構１５は、吸気弁１３の開閉時期を自在に変更できるように構成されている。また、排気弁１４も吸気弁１３と同様に、開閉時期を自在に変更可能な可変動弁機構１６にて開閉駆動される。
【００１５】
内燃機関１には、排気を吸気系に還流させるためのＥＧＲ手段としてのＥＧＲ装置１７が設けられている。ＥＧＲ装置１７は、排気通路６と吸気通路５とを結ぶＥＧＲ通路１８と、ＥＧＲ通路１８を開閉するＥＧＲ弁１９とを備えている。
【００１６】
可変動弁機構１５は弁制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えたコンピュータであり、各種センサを参照して、吸気弁１３の開閉時期、燃料噴射弁１０の噴射時期、点火プラグ９の点火時期等の各種パラメータが適正値となるように各部の動作を制御する。各種センサの一つとして、クランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ２１が設けられている。
【００１７】
図３は本形態に係る制御結果の一例を示したタイミングチャートである。このタイミングチャートには、クランク角度に対して吸気弁１３のリフトカーブ、燃料噴射弁１０の噴射期間及び点火プラグ９の点火時期（矢印Ｂ）のそれぞれが示されている。ＥＣＵ２０は後述する制御ルーチンに従って、吸気弁１３のメイン開弁期間Ｔ１が設けられるように可変動弁機構１５を制御するメイン開弁制御と、吸気弁１３のサブ開弁期間Ｔ２が設けられるように可変動弁機構１５を制御するサブ開弁制御とを行う。メイン開弁期間Ｔ１は排気行程終了直前から吸気行程終了時までの期間に、サブ開弁期間Ｔ２は圧縮行程後半にそれぞれ設定されている。また、ＥＣＵ２０は、メイン噴射期間Ｔ３に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御するメイン噴射制御と、サブ噴射期間Ｔ４に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御するサブ噴射制御とを行う。メイン噴射期間Ｔ３は圧縮行程前半に、サブ噴射期間Ｔ４はサブ開弁期間Ｔ２にそれぞれ設定されている。さらに、ＥＣＵ２０は点火プラグ９がサブ開弁期間Ｔ２終了直後に点火されるように点火プラグ９を制御する。
【００１８】
図３によれば、メイン開弁期間Ｔ１に気筒２内にタンブル流が形成され、圧縮行程中のサブ開弁期間Ｔ２より前の期間にそのタンブル流が吸気ポート１１に流出することが抑えられる。これにより、サブ開弁期間Ｔ２が開始するまでにメイン噴射期間Ｔ３に燃料噴射弁１０から噴射された燃料と吸気とが均一に混合されてタンブル流が乱れに変換されているので、サブ開弁期間Ｔ２に気筒２内の混合気の一部が吸気ポート１１に流出しても乱れ強さに与える影響を小さくすることができる。よって、圧縮行程後半に気筒２内の乱れ強さが弱まることを抑えつつポンピングロスを低減することができる。
【００１９】
本形態のエンジン１はＥＧＲ装置１７を備えているので、ＥＧＲガス中に含まれるカーボン成分等が吸気弁１３にデポジットとして付着することがある。図４は、ＥＣＵ２０がサブ開弁制御を実行している状態を示す図である。この図からわかるように、サブ開弁期間Ｔ２に燃料噴射弁１０から噴射された燃料は、吸気ポート１１に流出する混合気に乗って吸気ポート１１に運ばれるので、その燃料によって吸気弁１３の表面を洗い流すことができる。これにより、吸気弁１３へのデポジットの付着を抑えることができる。
【００２０】
図５はＥＣＵ２０が実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されており、適宜に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。
【００２１】
ステップＳ１では、タンブル流強化が必要か否かを判断する。この判断には、エンジン回転数が利用され、そのエンジン回転数が所定条件を満たすか否かによりタンブル流強化の要否を判定する。通常、タンブル流強化が不要になるのは、気筒２内に形成されるタンブル流よりも吸気流そのものの乱れが支配的となるようなエンジン回転数の場合である。例えば、このような条件に当てはまるエンジン回転数の閾値（４０００ｒｐｍ）を設定して、エンジン回転数が閾値以上の場合にタンブル流強化が不要と判断し、エンジン回転数が閾値よりも小さい場合にタンブル流強化が必要と判断してもよい。エンジン回転数は、例えばクランク角センサ２１の出力信号を参照すればよい。ステップＳ１でタンブル流強化が不要と判断した場合、ＥＣＵ２０は本ルーチンの以下のステップをスキップして通常の制御を維持する。一方、ステップＳ１でタンブル流強化が必要と判断した場合ステップＳ２に進む。
【００２２】
ステップＳ２では、クランク角度がメイン開弁制御タイミングであるか否かを判断する。メイン開弁制御タイミングは、吸気行程中に吸気弁１３が開かれるようなタイミングに設定されており、例えば排気行程終了直前に設定される。メイン開弁制御タイミングでないと判断した場合はこの処理を繰り返し実行する。一方、メイン開弁制御タイミングであると判断した場合はステップＳ３に進む。
【００２３】
ステップＳ３では、メイン開弁制御を行う。メイン開弁制御では、吸気行程中に吸気弁１３が開かれるメイン開弁期間Ｔ１が設けられるように可変動弁機構１５を制御する。メイン開弁期間Ｔ１としては、例えば排気行程終了直前から吸気行程終了時までの期間が設定される。
【００２４】
ステップＳ４では、クランク角度がメイン噴射制御タイミングであるか否かを判断する。メイン噴射制御タイミングは、圧縮行程前半に設定される。メイン噴射制御タイミングでないと判断した場合はこの処理を繰り返し実行する。一方、メイン噴射制御タイミングであると判断した場合はステップＳ５に進む。
【００２５】
ステップＳ５では、メイン噴射制御を行う。メイン噴射制御では、メイン噴射期間Ｔ３に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御する。メイン噴射期間Ｔ３は、圧縮行程前半の適当な期間が設定される。
【００２６】
ステップＳ６では、クランク角度がサブ開弁制御タイミングであるか否かを判断する。サブ開弁制御タイミングは、圧縮行程中でメイン開弁期間Ｔ１終了後に吸気弁１３が開かれるようなタイミングに設定されており、例えば、圧縮行程中でメイン噴射期間Ｔ３終了後に設定される。サブ開弁制御タイミングでないと判断した場合はこの処理を繰り返し実行する。一方、サブ開弁制御期間であると判断した場合はステップＳ７に進む。
【００２７】
ステップＳ７では、サブ開弁制御を行う。サブ開弁制御では、圧縮行程中に吸気弁１３が開かれるサブ開弁期間Ｔ２が設けられるように可変動弁機構１５を制御する。サブ開弁期間Ｔ２は、気筒２に生じるポンピングロスが目標ポンピングロスとなるように調整される。目標ポンピングロスはエンジン１の運転状態に基づいて設定されており、予めエンジン回転数や吸入空気量等から目標ポンピングロスが算出されるマップや関数式がＥＣＵ２０のＲＯＭに書き込まれている。
【００２８】
ステップＳ８では、クランク角度がサブ噴射制御タイミングであるか否かを判断する。サブ噴射制御タイミングは、サブ開弁期間Ｔ２開始直後に設定される。サブ噴射制御タイミングでないと判断した場合はこの処理を繰り返し実行する。一方、サブ噴射制御タイミングであると判断した場合はステップＳ９に進む。
【００２９】
ステップＳ９では、サブ噴射制御を行う。サブ噴射制御では、サブ噴射期間Ｔ４に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御する。サブ噴射期間Ｔ４は、サブ開弁期間Ｔ２中に設定される。
【００３０】
ステップＳ１０では、ＥＣＵ２０は点火プラグ９が点火されるように点火プラグ９を制御する。点火プラグ９の点火時期は、サブ開弁期間Ｔ２終了直後に設定される。ステップＳ１０の処理後、ＥＣＵ２０は今回のルーチンを終了する。
【００３１】
以上のように構成された内燃機関１においては、燃料噴射弁１０が、タンブル流の流れ方向に沿って燃料を噴射するように設定されているので、燃料噴射弁１０の燃料噴射により気筒２内のタンブル流を強めることができる。また、目標ポンピングロスがエンジン１の運転状態に基づいて設定されているので、エンジン１の燃費を向上させることができる。
【００３２】
図６は、本形態に係る制御結果を比較例とともに示した図である。この図には、クランク角度と気筒２内の気流の乱れ強さとの関係が示されている。図中の実線Ｌ１は本形態の制御結果を、破線Ｌ２はサブ開弁制御を省略してメイン開弁期間Ｔ１終了時期が本形態よりも幾らか遅くなるように可変動弁機構１５を制御した比較例を示している。なお、この図には、破線Ｌ２と同じ結果であるので吸気行程中の実線Ｌ１の図示を省略した。この図に示したように、本形態では、メイン開弁期間Ｔ１が吸気行程終了時に終了するので気筒２内のタンブル流が吸気ポート１１に流出して弱められることが抑えられている。その結果、圧縮行程中の実線Ｌ１の乱れ強さが破線Ｌ２よりも大きくなる。また、ＥＣＵ２０がサブ開弁制御を行うことにより気筒２内に吸気弁１３に流れる気流が生じるので、圧縮行程後半に乱れ上昇部Ｐが検出される。
【００３３】
本形態は上記の例に限定されない。本形態の制御ルーチンは、サブ噴射制御が数サイクルに１回ずつ行われるように変更してもよい。また、吸気通路５には、タンブル流の強さを調整する不図示であるタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）が設けられていてもよい。この場合、ＥＣＵ２０はＴＣＶがタンブル流を強化する時に上述した図５の制御ルーチンが実行される。
【００３４】
（第２の形態）
図７は本発明の第２の形態に係る制御結果の一例を示したタイミングチャートである。なお、図７は図３に対応しており、上述した図３と共通する部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。この図に示すように、ＥＣＵ２０は後述する制御ルーチンに従って噴射期間Ｔ５に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御する噴射制御を行う。噴射期間Ｔ５は圧縮行程後半に設定されている。サブ開弁期間Ｔ６は、噴射期間Ｔ５終了時から圧縮行程終了時までの期間に設定されている。また、ＥＣＵ２０は点火プラグ９が排気行程中に点火されるように点火プラグ９を制御する（矢印Ｃ参照）。
【００３５】
図８及び図９は、図１の気筒２の周辺を拡大して示した図である。図８は、ＥＣＵ２０が噴射制御を実行している状態を示した図であり、図９はＥＣＵ２０がサブ開弁制御を実行している状態を示した図である。これら図に示すように、燃料噴射弁１０が気筒２内に燃料を噴射すると、その燃料がピストン７上面の凹部８に沿って気筒２の排気側に拡散する。その後、サブ開弁期間Ｔ６が開始されることにより気筒２内に吸気弁１３に流れる気流が生じるので、気筒２内の排気側に位置する混合気が吸気弁１３側に引寄せられる。これにより、点火プラグ９の周囲に混合気を位置させることができる。
【００３６】
図１０はＥＣＵ２０が実行する第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。なお、図１０において、第１の形態と同一の処理には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３７】
ＥＣＵ２０は、ステップＳ３でメイン開弁制御を行った後に、ステップＳ２４においてクランク角度が噴射タイミングであるか否かを判断する。噴射タイミングは、圧縮行程後半に設定される。噴射タイミングであると判断した場合には、続くステップ２５で噴射制御を行う。噴射制御では、噴射期間Ｔ５に燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を制御する。噴射期間Ｔ５は圧縮行程後半の適当な期間が設定される。
【００３８】
ステップ２６では、クランク角度がサブ開弁制御タイミングであるか否かを判断する。サブ開弁制御タイミングは、噴射期間Ｔ５終了直後に設定される。サブ開弁制御タイミングであると判断した場合には、続くステップ２７でサブ開弁制御を行う。ここでのサブ開弁期間Ｔ６は、噴射期間Ｔ５終了直後から圧縮行程終了時までの期間が設定される。この処理後、ステップ３０に進む。
【００３９】
ステップ３０では、ＥＣＵ２０は点火プラグ９が点火されるように点火プラグ９を制御する。点火プラグ９の点火時期は、膨張行程中に設定される。ステップ３０の処理後、ＥＣＵ２０は今回のルーチンを終了する。
【００４０】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。メイン開弁期間Ｔ１終了時は、吸気行程終了時に設定されていなくてもよい。例えば、メイン開弁期間Ｔ１の終了時を圧縮行程中に設定してもよいし、吸気行程中に設定してもよい。また、メイン開弁期間Ｔ１開始時は、排気行程中に設定されていなくてもよく、例えばメイン開弁期間Ｔ１開始時を吸気行程中に設定してもよい。サブ開弁期間Ｔ２は、メイン開弁期間Ｔ１の終了後で圧縮行程中であれば任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の形態に係る内燃機関の要部を示した図。
【図２】燃料噴射弁の燃料の噴射方向を説明するための図。
【図３】本発明の第１の形態に係る制御結果の一例を示したタイミングチャート。
【図４】ＥＣＵがサブ開弁制御を実行している状態を示す図。
【図５】本発明の第１の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。
【図６】本発明の第１の形態に係る制御結果を比較例とともに示した図。
【図７】本発明の第２の形態に係る制御結果の一例を示したタイミングチャート。
【図８】ＥＣＵが噴射制御を実行している状態を示す図。
【図９】ＥＣＵが第２の形態のサブ開弁制御を実行している状態を示す図。
【図１０】本発明の第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。
【符号の説明】
【００４２】
１  内燃機関
２  気筒
５  吸気通路
６  排気通路
９  点火プラグ
１０  燃料噴射弁
１１  吸気ポート（タンブル形成手段）
１３  吸気弁
１５  可変動弁機構（弁駆動手段）
１７  ＥＧＲ装置（ＥＧＲ手段）
２０  エンジンコントロールユニット（弁制御手段）
Ｔ１  メイン開弁期間（第１開弁期間）
Ｔ２、Ｔ６  サブ開弁期間（第２開弁期間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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