(57)【要約】  ６サイクル機関において、通常想定されるバルブ開閉タイミングに対してバルブの開く機会を増やすことにより、ポンピングロスを削減し燃費を改善する。手段としては、（１）スロットル開度に比例して掃気ポートのバルブの開度を閉じない、（２）吸気行程において掃気バルブも開く、（３）掃気導入行程において排気バルブも開く、（４）掃気導入行程において吸気バルブも開く、ことなどにより行なう。また低負荷時に直噴インジェクターによる成層混合気燃焼によりポンピングロスを削減し燃費を改善する内燃機関に対して、上記（２）を実施して吸気行程で混合気と同時に掃気を燃焼室に導入することにより、これらが燃焼室内で不均質な混合気を形成可能なことを利用して、直噴インジェクターによる成層混合気分布を均質化することにより、低負荷時の燃費に優れ出力の高い内燃機関を実現する。  なお、本発明に関しては実施許諾の準備がある。
2008020498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の全６行程を持つ内燃機関（以下、６サイクル機関という。）の吸気ポートに燃料供給装置を備えた機関のバルブ制御機構であって、吸気ポートにスロットルバルブ、掃気ポートに掃気ポートバルブを備え、それらのバルブはスロットル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作によりスロットルバルブの開度と吸気ポートバルブの開度を相対的に変化させることのできる手段と、排気触媒の温度を感知する手段を備え、
排気触媒の温度が低い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を閉じる側に当該アクチュエータを駆動し、排気触媒の温度が高い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を開く側に当該アクチュエータを駆動することを特徴とするバルブ制御機構。
【請求項２】
吸気ポートと吸気バルブと、掃気ポートと掃気バルブと、排気ポートと排気バルブを持ち、吸気ポートに燃料供給装置を備え、
吸気バルブより掃気バルブの面積が大きく、
吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする混合気吸気式６サイクル機関。
【請求項３】
排気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備えた６サイクル機関であって、
当該可変バルブタイミング機構は排気行程と掃気排気行程で排気バルブを開くノーマルモードと、排気行程と掃気導入行程と掃気排気行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであり、
当該高効率モードでは排気行程と掃気導入行程の間で一度排気バルブを閉じる方向に動作させるものであり、当該動作におけるバルブリフトの最小リフトとなるタイミング点は掃気導入行程の開始するピストン上死点の後に設定されていることを特徴とする６サイクル機関。
【請求項４】
掃気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備えた６サイクル機関であって、
当該可変バルブタイミング機構は掃気バルブを掃気導入行程と吸気行程で開くノーマルモードと、掃気導入行程と掃気排気行程と吸気行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする、
請求項３の６サイクル機関。
【請求項５】
吸気ポートと吸気バルブと、掃気ポートと掃気バルブと、排気ポートと排気バルブを備え、吸気ポートに燃料供給装置を備え、燃焼室に直噴インジェクターと点火プラグを備えた内燃機関であって、
機関回転数を検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、当該両検出値によって当該燃料供給装置と当該直噴インジェクターを制御するプログラムされたコンピュータを備え、
当該燃料供給装置から燃料を供給しない運転領域が存在することと、吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
燃焼室内の点火プラグ位置を吸気バルブよりも掃気バルブの近くに配置したことを特徴とする請求項５の内燃機関。
【請求項７】
請求項５の内燃機関であって、吸気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備え、当該可変バルブタイミング機構は吸気行程でのみ吸気バルブを開くノーマルモードと、吸気行程と掃気導入行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする６サイクル機関。
【請求項８】
プログラムされたコンピュータによって請求項３および請求項４の６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を制御するモード切換制御装置であって、
機関の運転状態を感知する手段として機関の温度を検出する手段と、機関の回転数を検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、これらの検出値に対して適切なモードを判断する手段と、
判断したモードに当該可変バルブタイミング機構を切換動作させる手段を備えたことを特徴とする６サイクル機関のモード切換制御装置。
【請求項９】
プログラムされたコンピュータによって請求項３および請求項４の６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を制御する方法であって、
機関の運転状態を感知する手段として機関の温度を検出する工程と、機関の回転数を検出する工程と、機関の負荷を検出する工程と、これらの検出値に対して適切なモードを判断する工程と、判断したモードに当該可変バルブタイミング機構を切換動作させる行程を含むことを特徴とする６サイクル機関のモード切換制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ開口機会を増やすことによりポンピングロスを削減して燃費向上を図った６サイクル機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関では、クランクシャフトにコンロッドを介して取り付けられたピストンを、シリンダー内で往復させることにより、燃焼室の容積を変化させ圧縮膨張を繰り返す、火花着火式の4サイクル機関が最も一般的である。混合気は新気を機関に導入する吸気ポートに設置された燃料供給装置から燃料を供給することによって作られ、吸気ポートにはスロットルバルブが備えられており、これを開閉することにより機関の負荷を変化させる。燃焼室にはポペット型の吸気バルブと排気バルブを備え、これらのバルブはカム駆動機構を介してクランクの回転と同期して開閉し、吸気バルブから燃焼室に吸気ポートの混合気を導入し、排気バルブからは燃焼後の排気ガスを排気ポートに排出する。シリンダーヘッドの燃焼室側には点火ブラグの着火部が露出しており、燃焼室内の混合気を圧縮したときに着火する構造となっている。以下、このような内燃機関を一般機関と呼ぶ。【０００３】
６行程で１サイクルを完了する内燃機関はいくつかのタイプのものが知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。本発明は、この内のこれまで当業者によってもほとんど知られているものではなく産業利用性が見出せなかった（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の６つの行程を持つ内燃機関にかかるものであり、以下このような６行程サイクル内燃機関のことを６サイクル機関という。吸気ポート、掃気ポートと排気ポートの３つのポートを備え、吸気ポートに燃料供給装置を備えた混合気吸気式６サイクル機関と、ディーゼル機関やガソリンのガソリン直噴機関のように気筒内に直噴インジェクターを備え、吸気と掃気を兼用した掃気ポートと排気ポートのみを備えた直噴式６サイクル機関とがある。【０００４】
火花着火式機関であって燃料供給を気筒内の直噴インジェクターから噴射することにより供給し、混合気を成層化して希薄混合気燃焼を可能として燃費の向上を図ることは知られており、成層状態と混合状態とをいかに両立させるかの課題があること（例えば、特許文献４参照）、点火プラグのくすぶりや黒煙などの問題を起こす課題があることは知られている（例えば、特許文献５参照）。また２サイクル機関であるが、この気筒内の直噴インジェクターと別に吸気ポートにも燃料供給装置を備えたものは知られている（例えば、特許文献６参照）。【０００５】
機関の運転状態によりバルブを駆動するカムを切換えて使用する可変バルブタイミング機構は種種のタイプのものが知られている（例えば、特許文献７参照）。
【特許文献１】特開平８−２１０１４８  公報
【特許文献２】特公昭４７−３９８４５  公報
【特許文献３】特開２０００−１３０１８０  公報
【特許文献４】特開２０００−２６５８４１  公報
【特許文献５】特開２００３−１２０２９９  公報
【特許文献６】特許２６７１２２５  公報
【特許文献７】特開平５−１７９９１３  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に知られていることではないが一般機関に対しての６サイクル機関の利点は、原理的には掃気導入行程と掃気排気行程により燃焼室内部の掃気冷却を行なうことにより燃焼室の温度を下げ不整燃焼の発生を抑え、圧縮比を高めることが可能なことにより、燃焼ガスのエネルギーをより多く運動エネルギーに変換できることにより燃費の向上を図ることができることにある。それに対して６サイクル機関の課題は一般機関のように吸気ポートに燃料供給装置を設けた混合気吸気式６サイクル機関では、最低でも吸気、排気、掃気のそれぞれ専用の３つのポートと３つのバルブを必要とし、そのため各バルブの面積が狭くなり、機関の各ガスの交換行程でのポンピングロスが拡大するという問題が生じることである。更にこのことは機関の回転数を上げることができない問題につながっていた。またパーシャル時にスロットルバルブで新気の導入量を絞ると吸気だけでなく掃気も同様に絞ることになるために、１サイクルで吸気行程と掃気導入行程の２つの行程で負圧によるポンピングロスが発生し、一般機関よりポンピングロスが大きくなるという問題が発生する。【０００７】
６サイクル機関の特徴である燃焼室内部の温度を下げる掃気導入行程と掃気排気行程の存在により、逆に暖気時に機関本体や排気触媒温度の昇温に時間が掛かるという問題が発生する。また触媒によっては酸素濃度が高すぎると浄化がうまく進まないものもあるのに対して、掃気が排気に混じることにより酸素過多となる問題がある。この対策としてＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排出ガス再循環）システムを用いる手法があるが、６サイクル機関では一般機関のように吸気の一部を循環ガスに置き換えるだけではなく掃気のすべてを循環ガスに置き換えることが可能なので、循環ガス量を多く必要としシステムが大きくなる問題がある。このように大きなＥＧＲシステムを備えたとしても、コールドスタート時にはシステムの温度が上昇するまでＥＧＲガス温度が上昇しないため、排気触媒の温度を急速に上げるのは困難であるという問題があった。【０００８】
火花着火式６サイクル機関の場合でも４サイクル機関と同様に、気筒内を成層混合状態として薄い混合気に着火できるようにし、パーシャル時により多くのガスを導入できるようにしてポンピングロスを削減することが可能である。本目的のために直噴インジェクターを備えた直噴式６サイクル機関とした場合には吸気と掃気のバルブを兼用にできるので、インジェクターのスペースを確保することを条件に一般機関に近いバルブ面積の確保は可能で、機関回転数は同一排気量の一般機関と同等の回転数を達成することができる。しかし、４サイクル機関と同様に、燃料噴射量が多く必要となる高負荷高回転のときにはプラグ周りの混合気が濃くなりすぎてプラグのくすぶりが発生したり、燃焼室内に局部的に濃い領域ができ黒煙が発生する問題があった。また直噴インジェクターを備えた火花着火式内燃機関全般にいえることであるが、内燃機関の最高出力はほぼ最高回転数で発生するので、その時の最大噴射量に合わせて極めて短時間で燃料を大量に供給しなければならないため、燃料の供給圧力を極めて高くする必要があり、燃料ポンプの仕事量が大きくなり、コストを掛けても吸気ポートに燃料供給装置を備えたものに比べて実燃費が良くならないという問題があった。【０００９】
これらの問題の解決のために吸気ポートにも燃料供給する手段を備え、低負荷低回転以外の領域では吸気ポートにも燃料を供給し、混合ガスとして燃料を吸気ポートからも供給する手法があるが、本手法を採った場合でも燃焼室を均質の混合気とした状態のところに成層状態にするように設定された直噴インジェクターから燃料を噴射すれば、やはり点火プラグ周りの混合気が濃くなりすぎてプラグのくすぶりや黒煙が発生するという問題は発生する。特許文献６にある２サイクル機関の場合、吸気ポートの燃料供給装置で供給した燃料は、クランク室で均質混合されてしまうので、気筒内の直噴インジェクターは成層状態を形成するものにできるものではなく、低負荷時に混合気が排気に混じり捨てられることのみを防止するものであった。【００１０】
この点火プラグのくすぶりや黒煙の発生に対するひとつの解決手段として、高負荷高回転のときには直噴インジェクターから燃料を供給せず、吸気ポートの燃料供給装置からのみ燃料を供給し、均質混合気の状態で着火する手法も考えられる。しかし噴射するために供給される燃料は直噴インジェクターを冷却する効果も持っているので、燃焼室に燃料供給口を持つ直噴インジェクターを高負荷高回転のときに作動させないとなれば、直噴インジェクターは内部までが高温となり内部の燃料が変性してしまい、次に噴射したい場合に正常に作動しない事態となるものであり、インジェクターに新たに冷却装置を備えない限り実施出来ない手段であった。
【課題を解決するための手段と発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の課題解決手段は、吸気ポートに燃料供給装置を備えた６サイクル機関のバルブ制御機構であって、吸気ポートにスロットルバルブ、掃気ポートに掃気ポートバルブを備え、それらのバルブはスロットル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作によりスロットルバルブの開度と吸気ポートバルブの開度を相対的に変化させることのできる手段と、排気触媒の温度を感知する手段を備え、排気触媒の温度が低い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を閉じる側に当該アクチュエータを駆動し、排気触媒の温度が高い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を開く側に当該アクチュエータを駆動することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第１の課題解決手段の効果として、排気触媒温度が高い場合には掃気ポートバルブの開度を開くことにより、掃気行程でのポンピングロスが削減できる利点がある。また逆に排気触媒の温度が低い場合には、掃気ポートバルブの開度を閉じる方向に作動させることにより、より早く触媒温度を高めることができる。その結果、暖気後には燃費が向上し、排気触媒の温度管理をより精密に行うことができる利点がある。このことは暖気時間を短縮できる利点ともなる。暖気時などの排気触媒温度が所定の状態より低いときには掃気ポートバルブの開度を通常の負荷に対応したものより開度を下げ、掃気導入時の新気の量を減らす。必要な場合には掃気ポートバルブを完全に閉じてしまう。スロットルバルブは機関の出力を変化させるために開度を変化させる必要があるが、掃気ポートバルブは機関出力に大きな影響を与えず、ポンピングロスの削減や排気温度を制御するために吸気ポートバルブとは関連しながらも独立して開度を制御することが可能だからである。
【００１３】
なお、この場合のスロットルバルブ等は一般的には吸気および掃気ポートに設けられたバタフライバルブやスライドバルブ等を言うが、本発明においては各ポート内のガスを燃焼室に導く吸気バルブと掃気バルブに対して、機関のクランク回転に対するバルブの開く角度や量を連続的に制御する連続可変バルブタイミング機構を採用したバルブも含まれる。掃気バルブや吸気バルブに連続可変バルブタイミング機構を採用した場合、吸気や掃気のガス流入量を絞る場合にバルブ部での圧力低下が無くポンピングロスを削減することができるのでより望ましいものとなる。
【００１４】
本発明の第２の課題解決手段は、吸気ポートと吸気バルブと、掃気ポートと掃気バルブと、排気ポートと排気バルブを持ち、吸気ポートに燃料供給装置を備えた混合気吸気式６サイクル機関において、吸気バルブより掃気バルブの面積が大きく、吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする。
【００１５】
このようにすることにより掃気導入時には掃気バルブのみが開き掃気を気筒内に導入し、吸気時には吸気ポートからは混合気が、掃気ポートからは新気である掃気が導入され気筒内で混合される。吸気行程では、吸気ポートからガス量と関係なく一定の燃料を含む濃い混合気を導入することにより気筒内に適切な混合気を生成することができるので、吸気バルブの面積は小さくすることができ、相対的に掃気バルブの面積は大きく取ることができる。そのため本発明の第２の課題解決手段の効果として、掃気時のバルブ開口面積を２バルブの一般機関の吸気バルブと匹敵する大きさとすることができ、更に出力に最も影響する混合気を燃焼室に導入する吸気時には吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブからガスを導入することになるので、合計のバルブ開口面積は２バルブの一般機関以上のものとすることができポンピングロスが削減できる。またこのようにバルブ面積が確保できることによって一般機関と同程度以上の回転数を実現可能とするものである。
【００１６】
これまで想定されてきた６サイクル機関では掃気導入行程で掃気ポートから新気である掃気が導入され、燃焼室内部が冷却される。しかし圧縮比は機関が常に正常に作動可能なように運転状態が限界的な場合に合わせて設定してあるので、コールド状態ではもちろんのこと、ある程度暖気された後においても、機関の温度や負荷やその継続時間などによっては運転状態が限界に達しておらず、冷却する必要性が低い場合もある。
【００１７】
本発明の第３の課題解決手段は、このような事情に鑑み、排気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備えた６サイクル機関であって、当該可変バルブタイミング機構は排気バルブを排気行程と掃気排気行程で開くノーマルモードと、排気行程と掃気導入行程と掃気排気行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであり、当該高効率モードでは排気行程と掃気導入行程の間で一度排気バルブを閉じる方向に動作させるものであり、当該動作におけるバルブリフトの最小リフトとなるタイミング点は掃気導入行程の開始するピストン上死点の後に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３の課題解決手段の効果として、特にパーシャル時の掃気導入行程において大気圧である排気を燃焼室に導入することによりポンピングロスを無くすることができ、燃費の向上を図ることが出来る利点がある。同時に掃気に対する大量の内部EGRを簡単なシステムで実現することが出来、制御システムと組み合わせることにより触媒の温度や酸素濃度をコントロールすることが可能となる利点と、機関の暖気を早める利点がある。このようなことは吸気ポートに燃料供給装置を備えた４サイクル機関の吸気時に行えば、高温の排気ガスが混合気に直接触れバックファイヤーを起こすものであるが、６サイクル機関の場合には掃気に燃料が含まれていないので可能となることである。また掃気導入行程におけるバルブ開口面積を増大させるので機関回転数を高めることができ、それでいて排気バルブ駆動機構には打音が発生したり大きな衝撃荷重が発生して損傷が発生したりするものとはならない利点がある。なお本課題解決手段は吸気ポートと掃気ポートの区別のない直噴式６サイクル機関でも実施可能なものであり、同様の利点がある。
【００１９】
本発明の第４の課題解決手段は、同様な事情に鑑み、第３の課題解決手段と掃気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備えた６サイクル機関であって、当該可変バルブタイミング機構は掃気バルブを掃気導入行程と吸気行程で開くノーマルモードと、掃気導入行程と掃気排気行程と吸気行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第４の課題解決手段の効果として、特にパーシャル時にスロットルにより絞られ負圧となる掃気ポートへ掃気排気行程でEGRガスを掃気ポートに循環させることにより掃気ポートの圧を高め、次の吸気行程での吸気に対して適度なＥＧＲを実現し、吸気行程時のポンピングロスを削減することができ、燃費の向上を図ることが出来る利点がある。吸気に対する内部EGRを簡単なシステムで実現することが出来、制御システムと組み合わせることにより燃焼をコントロールし触媒の温度や酸素濃度をより精密にコントロールすることが可能となる。本課題解決手段も機関の暖気を早めることができ、掃気排気行程におけるバルブ開口面積を増大させるので機関回転数を高めることができる利点がある。なお本課題解決手段は吸気ポートと掃気ポートの区別のない直噴式６サイクル機関でも実施可能なものであり、同様の利点がある。直噴式６サイクル機関では、このときの吸気は掃気ポートから行われ、掃気バルブとしたものはスロットルバルブそのものである。
【００２１】
本発明の第1の課題解決手段は本発明の他の課題解決手段との併用が可能であるが、特に本発明の第３及び第４の課題解決手段を併用した場合には掃気ポートバルブをより閉じることにより、より多くの内部ＥＧＲガスが還流する。本発明の第４の課題解決手段を併用した場合には掃気ポートバルブ下流の掃気ポートの容積が大きいほど吸気に対してＥＧＲガスの量が増加する。このように第1の課題解決手段は、第３の課題解決手段との併用により掃気に大量の内部EGRを実現することが出来、更に第４の課題解決手段により吸気にもEGRを利かせることができるので、これらをまとめて制御すれば、より広い運転範囲で排気触媒の温度や酸素濃度のより精密な制御ができ、短時間で機関の暖気を行うことができる利点がある。しかも第３の課題解決手段により掃気導入時のポンピングロスの発生は無くなり、第４の課題解決手段により吸気行程時のポンピングロスも減り、特に低負荷時の燃費の向上を図ることが出来る利点がある。
【００２２】
本発明の第５の課題解決手段は、吸気ポートと吸気バルブと、掃気ポートと掃気バルブと、排気ポートと排気バルブを備え、吸気ポートに燃料供給装置を備え、燃焼室に直噴インジェクターと点火プラグを備えた内燃機関であって、機関回転数を検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、当該両検出値によって当該燃料供給装置と当該直噴インジェクターを制御するプログラムされたコンピュータを備え、当該燃料供給装置から燃料を供給しない運転領域が存在することと、吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする。
【００２３】
本課題解決手段は点火プラグのくすぶりや黒煙の問題に対して、吸気行程において吸気ポートからは濃厚な混合気が導入されると同時に掃気ポートからは新気が導入されることにより、気筒内に濃淡の逆の成層状態の混合気が形成可能なことに着目した解決手段を与えている。すなわち、吸気、圧縮行程において点火プラグ付近の混合気の方が薄い成層状態の混合気を燃焼室に形成し、その状態のところに気筒内に備えられた直噴インジェクターから低負荷時と同じように点火プラグ付近の混合気が濃くなるように設定された噴射を行ない、均質な混合気を形成するようにしたものである。このようにすることにより直噴インジェクターは常に成層状態の混合気が形成するような噴射をすべての運転領域で行なえば良く、構造が簡易になる。吸気ポートの燃料供給装置は低回転低負荷時では作動しない運転領域が存在し、その領域では直噴インジェクターにより気筒内には点火プラグ付近が濃い成層状態の混合気が形成され、成層混合燃焼が行なわれる。それ以外の領域では吸気ポートの燃料供給装置も燃料を供給し、直噴インジェクターとともに均質の混合気を形成し、プラグのくすぶりや黒煙の問題を解消した均質混合燃焼を実現できる。
【００２４】
本発明の第５の課題解決手段の効果として、成層混合気燃焼と均質混合気燃焼の切換をプラグのくすぶりや黒煙の発生無く安定して実施可能となる利点がある。そのため均質混合燃焼が可能な高出力機関で成層混合燃焼が実現でき、成層運転領域ではより多くのガスを導入できるのでポンピングロスが削減できる利点がある。結果として最大出力が優れたパーシャル時の燃費の良い機関が得られる利点がある。また吸気ポートにも燃料供給装置を備えたことにより、気筒内インジェクター用の燃料ポンプの設定圧力と容量は小さくすることが出来、燃料ポンプの負荷を低減し更なる低燃費化を図ることができる利点がある。大量の燃料を必要とする高負荷のときは、燃料の供給から燃焼までの混合に時間の掛けられる吸気ポート内の燃料供給装置が主に必要な燃料を供給し、直噴インジェクターとともに均質混合気を形成する。吸気ポート内の燃料供給装置は機関の１サイクルの間のどの時期に燃料を供給してもよいので噴射時間を長く掛けられ、また周りのガス圧力も低く、気筒内の直噴インジェクターへの供給圧力よりはるかに低圧のポンプにより必要な量の燃料が供給できるので、燃料供給のためのエネルギーが少なくて済む。また、直噴インジェクターのみの噴射で運転する領域は低回転低負荷時のみであるので時間当たりの燃料噴射量が少なくて済み、また圧力も低いので駆動のための動力源も小さくてすみ小型化でき、消費電力も少なくシリンダーヘッドの配置も容易となる利点がある。
【００２５】
本課題解決手段は本発明の１から４までの課題解決手段との併用が可能である。また本課題解決手段は、混合気を供給する吸気ポートと新気を供給する掃気ポートを持つ内燃機関であれば６サイクル機関に限らず、４サイクル機関や２サイクル機関にも適用できるものである。掃気ポートに多少の混合気が混入する場合であっても同様に実現することができるので、そのような内燃機関も本発明概念に含まれる。例えば吸気ポートが２本ある４サイクル機関であれば、その片方のポートに燃料供給装置を取り付けることにより、多少他方のポートに混合気が回りこむとしても本発明概念に含まれ、２サイクル機関であれば掃気ポートの一部の掃気に濃い混合気が供給され、他のポートにも混合気が混じる場合も含まれる。ちなみに２サイクル機関の場合、バルブとはそのポートのピストンバルブ開口部を意味する。
【００２６】
本発明の第６の課題解決手段は、本発明の第５の課題解決手段を採用した内燃機関の燃焼室内の点火プラグ位置を吸気バルブよりも掃気バルブの近くに配置したことを特徴としている。
【００２７】
本発明の第６の課題解決手段の効果として、吸気ポートの燃料供給装置が働く低回転低負荷時以外の領域で、掃気ポートから導入される新気により点火プラグを洗い、吸気ポートから導入される濃厚な混合気が直接洗わないようにする具体的なシリンダーヘッド内の点火プラグの配置を提供し、点火プラグのくすぶりの問題を解消する利点がある。
【００２８】
本発明の第７の課題解決手段は、本発明の第５の課題解決手段を採用した６サイクル機関であって、吸気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備え、当該可変バルブタイミング機構は吸気バルブを吸気行程でのみ開くノーマルモードと、吸気行程と掃気導入行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする。
【００２９】
本発明の第７の課題解決手段の効果として、高効率モード時では掃気導入行程におけるバルブ開口面積を増大させることができる。第５の課題解決手段のみを採用した６サイクル機関では吸気行程では掃気と吸気の両方のバルブが開くが、掃気導入行程時には掃気バルブしか開かないので掃気導入行程での通路抵抗の方が大きく、掃気導入行程でより多くのポンピングロスが発生する。こ第７の課題解決手段はこのロスを削減し、結果として成層混合燃焼の運転領域での実用燃費を改善することができる利点がある。
【００３０】
本発明の第８の課題解決手段は、プログラムされたコンピュータによって本発明の第３および第４の課題解決手段による６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を制御するモード切換制御装置であって、機関の運転状態を感知する手段として機関の温度を検出する手段と、機関の回転数を検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、これらの検出値に対して適切なモードを判断する手段と、判断したモードに当該可変バルブタイミング機構を切換動作させる手段を備えたことを特徴とする。
【００３１】
本発明の第８の課題解決手段の効果として、機関の運転状態を感知して６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を、本来の６サイクル機関の行程である機関を冷却する方向に働くノーマルモードと、ポンピングロスを削減する高効率モードに適切に自動的に切換制御を行なう手段を与え、高効率モードの頻度を機関の限界まで高くとることができ、機関の実際の運転状態におけるポンピングロスを減らし、総合的な燃費を向上させる利点がある。
【００３２】
本発明の第９の課題解決手段は、プログラムされたコンピュータによって本発明の第３および第４の課題解決手段による６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を制御する方法であって、機関の運転状態を感知する手段として機関の温度を検出する工程と、機関の回転数を検出する工程と、機関の負荷を検出する工程と、これらの検出値に対して適切なモードを判断する工程と、判断したモードに当該可変バルブタイミング機構を切換動作させる行程を含むことを特徴とする。
【００３３】
本発明の第９の課題解決手段の効果として、機関の運転状態を感知して６サイクル機関の可変バルブタイミング機構を、本来の６サイクル機関の行程である機関を冷却する方向に働くノーマルモードと、ポンピングロスを削減する高効率モードに適切に自動的に切換制御を行なうことが可能となり、高効率モードの頻度を機関の限界まで高くとることができ、機関の実際の運転状態におけるポンピングロスを減らし、総合的な燃費を向上させる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図1は吸気ポートに燃料供給装置を備えた混合気吸気式６サイクル機関の各行程の説明図である。
【図２】図２は   第１の課題解決手段を採用した混合気吸気式６サイクル機関の吸気、掃気、排気の各ポートとバルブ配置を採用した混合気吸気式６サイクル機関の多気筒機関のシリンダーヘッドの１気筒部分をピストン側から見た平面図である。（実施例１）
【図３】図３は第２図のＺ視図である。吸気と掃気にあるスロットルバルブを連動しているリンク機構を示す。（Ａ）図は標準状態を示し、（Ｂ）図は掃気ポートバルブを標準状態より開いた触媒温度が高い場合の状態を示している。（実施例１）
【図４】図４は第１の課題解決手段に用いるアクチュエータ９３の制御フローチャート図である。（実施例１）
【図５】図５は第２の課題解決手段を採用した混合気吸気式６サイクル機関の３バルブのシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。（実施例２）
【図６】図６は第２の課題解決手段を採用した混合気吸気式６サイクル機関の５バルブのシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。（実施例３）
【図７】図７は第３の課題解決手段に用いる排気バルブの可変バルブタイミング機構に用いる排気バルブカムシャフトの断面図である。（実施例４）
【図８】図８は図７の排気バルブカムシャフトのクランクの回転角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリフト量を示すグラフである。（実施例４）
【図９】図９は第３の課題解決手段を採用した直噴式６サイクル機関の２バルブのシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。（実施例５）
【図１０】図１０は第４の課題解決手段に用いる掃気バルブの可変バルブタイミング機構に用いる掃気バルブカムシャフトの断面図である。（実施例６）
【図１１】図１１は第５および第６の課題解決手段を採用した火花着火式６サイクル機関の３バルブのシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。（実施例７）
【図１２】図１２は第５および第６の課題解決手段を採用した火花着火式６サイクル機関の運転マップである。（実施例７）
【図１３】図１３は第７の課題解決手段に用いる吸気バルブの可変バルブタイミング機構に用いる吸気バルブカムシャフトの断面図である。（実施例８）
【図１４】図１４は第７の課題解決手段に対して用いる制御フローチャート図である。（実施例８）
【図１５】図１５は第８および第９の課題解決手段に用いる制御システム図である。（実施例９）
【図１６】図１６は第３の課題解決手段による機関に対して用いる第８の課題解決手段の制御フローチャート図である。（実施例９）
【図１７】図１７は第４の課題解決手段による機関に対して用いる第８の課題解決手段の制御フローチャート図である。（実施例１０）
【図１８】図１８は第８および第９の課題解決手段に用いる制御マップ図である。（実施例９、１０）
【符号の説明】
【００３５】
１      ６サイクル機関
１０    シリンダーブロック
１５    燃焼室
２０    シリンダーヘッド
２１    吸気ポート
２２    吸気バルブ
２３    スロットルバルブ
２４    スロットルバルブセンサ
２５    燃料供給装置
２６    点火プラグ
３１    排気ポート
３２    排気バルブ
３３    排気触媒
３８    温度センサ
４１    掃気ポート
４２    掃気バルブ
４３    掃気ポートバルブ
５０    クランクシャフト
５２    回転数センサ
５５    ピストン
６５    直噴インジェクター
８１、８２  レバー
８３、８４  ロッド
８５    リンク
９１    アクチュエータ
９２    アクチュエータロッド
１１０  排気バルブタイミングカムシャフト
１１１  排気ノーマルカム
１１２  排気高効率カム
１１５  排気バルブカム切換えアクチュエータ
１２０  掃気バルブタイミングカムシャフト
１２１  掃気ノーマルカム
１２２  掃気高効率カム
１２５  掃気バルブカム切換えアクチュエータ
１３０  吸気バルブタイミングカムシャフト
１３１  吸気ノーマルカム
１３２  吸気高効率カム
６１０  コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
６サイクル機関において、通常想定されるバルブ開閉タイミングに対してバルブの開く機会を増やすことにより、ポンピングロスを削減し燃費を改善する。手段としては、（１）スロットル開度に比例して掃気ポートのバルブの開度を閉じない、（２）吸気行程において掃気バルブも開く、（３）掃気導入行程において排気バルブも開く、（４）掃気導入行程において吸気バルブも開く、ことなどにより行なう。また低負荷時に直噴インジェクターによる成層混合気燃焼によりポンピングロスを削減し燃費を改善する内燃機関に対して、上記（２）を実施して吸気行程で混合気と同時に掃気を燃焼室に導入することにより、これらが燃焼室内で不均質な混合気を形成可能なことを利用して、直噴インジェクターによる成層混合気分布を均質化することにより、低負荷時の燃費に優れ出力の高い内燃機関を実現する。
【実施例１】
【００３７】
図１は吸気ポート２１に燃料供給装置２５を備え、ここで混合気が作られる混合気吸気式６サイクル機関の各行程を示した説明図である。クランクシャフト５０は時計回りに回転している。（Ａ）図は第１行程である吸気行程を示しており、ビストン５５は下降しているので燃焼室１５の圧力は下がり、吸気ポートの混合気を吸気バルブ２２から燃焼室内に導入する。（Ｂ）図は第２行程である圧縮行程を示す。燃焼室には点火プラグ２６の着火部があり、ピストンが上死点付近に来たとき混合気に着火する。（Ｃ）図は第３行程である爆発・膨張行程を示しており、燃焼ガスの圧力エネルギーをクランクの回転エネルギーに変換する。（Ｄ）図は第４行程である排気行程を示しており、燃焼ガスを排気ポート３１に排出する。ここまでは一般機関と同様である。【００３８】
図２は本発明の第１の課題解決手段による多気筒機関６サイクル機関の１実施例であり、シリンダーヘッド２０と各ポートとスロットルバルブの配置をピストン側から見た平面図である。本実施例は基本的な混合気吸気式６サイクル機関のバルブとポート配置を備え、吸気バルブ２２と排気バルブ３２と掃気バルブ４２の３つのクランク回転に同期して開閉するバルブを備えている。プラグ２６はバルブ面積を少しでも大きく取るように中心を外れて配置されている。吸気ポート２１と掃気ポート４１はそれぞれ独立しており、吸気ポート２１からは混合気が、掃気ポート４１からは燃料の混じらない新気である掃気が導入される。【００３９】
図１（Ｅ）は第５行程である掃気導入行程を示す。図２にあるように吸気バルブ２２と掃気バルブ４２は同じ側にあるので、（Ａ）図から（Ｄ）図と（Ｆ）図では吸気ポート２１と吸気バルブ２２が表されている部分に、（Ｅ）図では掃気ポート４１と掃気バルブ４２が表示されている。本実施例では表示されていないバルブは閉じている。掃気導入行程では掃気を導入し燃焼室を冷却する。（Ｆ）図は第６行程である掃気排気行程を示し、燃焼室を冷却した掃気が更に排気バルブ３２と排気ポート３１を冷却する。【００４０】
以上が混合気吸気式６サイクル機関のノーマルモードのバルブの動きを示したものである。このように６サイクル機関は燃焼室を内部から掃気で冷却する掃気導入行程と掃気排気行程を持つので、気筒内の温度を一般機関より低くできることにより圧縮比を高く設定することができ、効率を上げることができる。また機関を内部から冷却することにより、機関の冷却システムをシンプル化することが出来る特徴がある。例えばラジエータを小型化できたり、水冷式機関としていたものを空冷機関としたり、空冷機関としていたものを無冷却機関とすることが可能となる場合がある。【００４１】
図２の実施例では吸気ポート２１にはバタフライバルブ方式のスロットルバルブ２３が、掃気ポート４１には掃気ポートバルブ４３が、それぞれ独立して回転可能なシャフトに固定されている。【００４２】
図３はそのスロットルバルブ制御機構のリンク周りを示す図２のＺ視図である。一般的に自動車などの移動体用ではアクセルペタルを踏み込むことによって、もしくはスロットルグリップを回すことによって、搭載している内燃機関の吸気ポートにあるスロットルバルブ２３を開く方向に連動して動作させる。本実施例も図示されていない同様の連動機構を備えている。更に本実施例ではスロットルバルブ２３に対して、掃気ポート４１に取り付けてある掃気ポートバルブ４３が、レバー８１、ロッド８３、リンク８５、ロッド８４、レバー８２を介して連動している。アクチュエータ９１は外部から排気ガス温度によりロッド９２の突き出し量を変えるように駆動される。定常状態ではアクチュエータ９１は（Ａ）図に示された状態にあり、掃気ポートバルブ４３はほぼスロットルバルブ２３の開度と同一の開度となる。排気ガス温度検出値が高くなると（もしくは排気触媒温度が高くなると予想されると）（Ｂ）図に示すようにアクチュエータ９１が駆動されリンク８５の支点を支えているロッド９２を突き出す。その動きに伴いロッド８４は掃気ポートバルブ４３を定常状態である２点鎖線の位置から余分に開き、より多くの掃気を導入する。逆に排気ガス温度検出値が低くなると（もしくは排気触媒温度が低くなると予想されると）アクチュエータ９１のロッド９２が引っ込み、掃気ポートバルブ４３をスロットルバルブ２３に対して閉じる方向に動作させ、より少ない量の掃気しか導入されないように作動する。【００４３】
本発明の第１の課題解決手段による発明概念においては、アクセルペタルやスロットルグリップに連動するバルブを吸気ポートにあるスロットルバルブ２３に限定するものでは無く、逆に掃気ポートに取り付けてある掃気ポートバルブ４３に連動し、そこからアクチュエータで動作する部材を含むリンク機構を介してスロットルバルブ２３に連動するものであっても良い。また吸気ポートと掃気ポート全体に対して、一つのスロットルバルブを備え、その下流の吸気ポートか掃気ポートの片方にアクチュエータで開閉する別のバルブを備えた場合でも同様な効果があることは当業者にとっては自明なものであり、これらの構造は第１の課題解決手段の発明概念に含まれるものである。【００４４】
図４は実施例１のアクチュエータ９１の駆動制御をフローチャートで示したものである。排気温度検出値が高いとき（もしくは排気触媒温度が高くなると予想されるとき）は掃気ポートバルブが開く方に制御され、排気温度検出値が低いとき（もしくは排気触媒温度が低くなると予想されるとき）は掃気ポートバルブが閉じる側に制御される。本制御のロジックは非常に単純なものであるので、必ずしもコンピュータ等によって制御する必要はない。例えば熱によって膨張する流体によりアクチュエータを駆動するシステムであっても制御することができる。
【実施例２】
【００４５】
図５は第２の課題解決手段による１実施例である３バルブのシリンダーヘッド２０をピストン側から見た平面図である。本実施例では掃気バルブ４２と排気バルブ３２は大きく、吸気バルブ２２は相対的に小さくなっている。掃気導入工程では掃気バルブのみが開くが、吸気工程では吸気バルブと同時に掃気バルブも開き混合気と新気を導入する。吸気ポートには１回の爆発に必要な燃料が噴射されており、一般機関の吸気と比べると濃い混合気となっており、吸気工程と圧縮工程の間に掃気バルブから導入された掃気と混合されシリンダー内を所定の混合気状態とする。このように第２の課題解決手段により、図２の基本的な混合気吸気式６サイクル機関の実施例１のバルブ配置に比較して掃気バルブ面積を大きく設定することができ、特に出力に最も影響する吸気行程時のバルブ面積は吸気と掃気の２つのバルブの合計となるため一般機関以上の面積となり、一般機関と同等もしくはそれ以上の回転数を実現できるものである。
【実施例３】
【００４６】
図６は第２の課題解決手段による別の１実施例である５バルブのシリンダーヘッド２０をそれぞれピストン側から見た平面図である。本実施例では1つの気筒あたりに掃気バルブ４２と排気バルブ３２を２つずつ、吸気バルブ２２を1つ備え、掃気バルブ４２の合計面積は吸気バルブの面積よりも大きい。掃気導入工程では掃気バルブのみが開くが、吸気工程では吸気バルブと同時に掃気バルブも開き混合気と新気を導入する。吸気ポートには１回の爆発に必要な燃料が噴射されており、一般機関の吸気と比べると濃い混合気となっており、吸気工程と圧縮工程の間に掃気バルブから導入された掃気と混合されシリンダー内を所定の混合気状態とする。このように本実施例でも実施例２と同様に、第２の課題解決手段により同様の効果がある。
【実施例４】
【００４７】
図７は、第３の課題解決手段の1実施例である６サイクル機関の排気バルブの可変バルブタイミング機構に用いられている排気バルブカムシャフト１１０の断面図である。本実施例のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図は図５と同一となる。本カムシャフトを含めた６サイクル機関の全てのバルブ駆動用カムシャフトはクランクが３回転する間に１回転する。図７のカムの１２時方向が爆発・膨張行程の始まりのピストンが上死点となるポイントに対応し、本カムシャフトは反時計回りに回転する。手前側にあるカムが排気バルブ駆動用のノーマルモード用のカム１１１であり、排気行程及び掃気排気行程でバルブが開くように設定されている。奥に見えているのが高効率モード用のカム１１２で、排気行程と掃気排気行程以外に掃気導入行程でもバルブが開くように設定されている。【００４８】
図８は本実施例の排気バルブカムシャフトを用いた６サイクル機関のクランクの回転角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリフト量を示すグラフである。上の図の縦軸は排気バルブ設定加速度を表しておりバルブが開く方向の加速度を正としてある。下の図の縦軸は排気バルブカムによるバルブリフト量を表し、横軸はクランクの回転角度を表している。１サイクル６行程でクランクは３回転するが、その内の第２行程である爆発・膨張行程の開始するピストンが上死点となるポイントを０°として、爆発・膨張、排気、掃気導入、掃気排気、吸気の第２行程から第６行程までの全５行程のクランク角度として計９００°を１８０°を１目盛として表している。【００４９】
点線はノーマルモードの時のカム１１１の排気バルブの設定加速度とバルブリフトカーブを示している。バルブリフトカープの最初と最後の部分には緩衝曲線があり、バルブが開口する時のカムフォロワーがカムに駆動され始める時とバルブがシリンダーヘッドのシートに着座する時の衝撃を緩める。緩衝曲線はカム上では曲面でこの緩衝曲線の高さ範囲にカムフォロワーとのクリアランスが設定されているが、バルブリフトグラフで見るとカムがカムフォロワーに接触したところからバルブのリフトが始まり、緩衝曲線部分はクランク角に対してカムリフトが比例する直線となっている。この緩衝曲線の終了ポイントでバルブの設定加速度によるバルブリフトが始まる。バルブの設定加速度は一定の加速度以下で連続線となるように設定されている。これは一定以上の加速度を設定すると高回転時にカム面圧が高くなりすぎて磨耗が発生し、加速度を不連続線とすると衝撃荷重による打音が発生し、部材にも損傷が発生するからである。加速度が連続していることによりバルブリフトカーブは全体としては滑らかな曲線を描く。【００５０】
図８に現されているように本実施例では排気行程での排気バルブのリフト開始は膨張行程の途中で始まっている。バルブが開き始め、排気行程が始まるピストンが下死点となる１８０°のところでは既にバルブの加速は終わり減速に入る。バルブの設定加速度をマイナスとして、バルブを減速し、最大リフト後は着座方向に加速する。このマイナスの加速度はバルブスプリングの荷重の範囲で設定されており、カムからカムフォロワーが離れることのないようになっている。最後に正の加速度でバルブを減速し着座側の緩衝曲線まで滑らかに繋げる。本実施例のノーマルモードの排気カム１１１は、排気行程も掃気排気行程も同様に最大バルブリフトの１／８のリフトのところでクランク角を見ると、下死点前３０°で始まり上死点後５°で終わる合計２１５°のカム山を持つ。この角度をバルブ開角と呼ぶ。バルブ開口面積は大きくしたいので行程開始より早めに開き、遅くまで開いている設定となっているが、上死点ではカムリフトが大きいとバルブがピストンと干渉するので５°だけ遅く閉じる設定となっている。このカム山はカムシャフトの回転角で言うとクランク角で表すバルブ開角の１／３の７２°程度になる。【００５１】
高効率モードでは排気バルブをノーマルモードで開口する排気行程と掃気排気行程以外に掃気導入行程でも開く。掃気バルブと同様にバルブ開口面積をより大きくするようなタイミングで開くとすれば、このときのバルブ開角を上死点前５°で始め下死点後３０°で終わりたいこととなる。しかし排気バルブの場合、掃気導入行程でのバルブ開角の開始点をそのように設定すると、そのひとつ前の行程である排気行程の終わりに上死点後５°で閉じるように着座方向に動いているバルブを、ピストンの上死点で突然開く方向に運動方向を変えなければならないことととなり、瞬間的に大きな加速度でバルブを加速しなければならず、打音が発生し、カム摺動面などに大きな衝撃荷重が発生することになり損傷が生じる。【００５２】
この問題を回避するための手法として、排気バルブのバルブリフトカーブを排気行程と掃気導入行程の中間の上死点を中心に対称に設定する手法がある。その場合にも上死点付近のバルブとピストンのクリアランスも維持しなければならないので、排気行程での排気バルブのリフトは高効率モードではノーマルモードのよりも１０°以上早くに閉じる必要がある。しかしそれでは排気行程における排気バルブの開口面積が狭くなるという問題が発生する。また、特許文献７のような単純な可変バルブタイミング機構では、バルブタイミングが２つのカムを切換える場合に、バルブタイミングが狭いカム側のカムフォロワーは作動させたままでバルブタイミングが広いカム側のカムフォロワー有効に作動するようにすることにより、バルブタイミングが狭いカム側のカムフォロワーが遊ぶことにより２つのカムを切換える。そのためバルブタイミングが広いカムが常にバルブタイミングの狭いカムのリフトと同じか大きい状態となるように設計する必要があるのに対して、上記手法では排気行程でのカムはノーマルカムの方がリフトが大きく、掃気導入行程では高効率カムの方がリフトが大きい必要がある。そのために、単純な可変バルブタイミング機構が使えないという問題が発生する。【００５３】
これらの問題を解決するために本実施例の高効率モード用のカム１１２（以下、高効率カムという。）の設定加速度とバルブリフトカーブは図８のグラフの実線のように設定されている。本実施例のカム１１２の排気行程におけるバルブ開角はノーマルモード用のカム（以下、ノーマルカムという。）と同一である。上死点付近のバルブとピストンのクリアランスはノーマルカムと同じに維持することができ、ノーマルカムに対して常に高効率カムの方がリフトが大きい。本実施例では着座方向に動いている排気バルブを再度開口する方向に加速するときの加速度はノーマルカムより多少高目に設定している。こればカム面の形状が凹になるので同じ荷重であればカム面圧が下がるので荷重を上げられるからである。それでも掃気導入行程での排気バルブの開くタイミングは本図に示すように上死点後４８°とかなり遅れる。従って２つのカム山間のバルブリフトの最小リフトポイントは掃気導入行程が開始した後のクランク角で上死点後２６．５°のポイントとなる。しかし、下死点ではピストンとバルブは離れているのでバルブは閉じる必要がなく、最大リフト手前から加速度を徐々に０としバルブリフト量を最大のまま維持することが出来るので、掃気導入行程におけるバルブ開口面積は充分確保することができる。更に掃気排気行程でのバルブ開口面積も同様に下死点でバルブは閉じる必要がないのでノーマルモードよりも大きくすることができる。掃気排気行程でのノーマルモードのカムリフト最大ポイントに近づくと再度着座方向に加速し始め、バルブを着座させるまでノーマルカムに倣う形となる。【００５４】
このように本実施例の高効率カムを用いた６サイクル機関によれば、ノーマルモードのときの排気行程における排気バルブの開口面積を確保しながら、掃気導入行程時に充分な排気バルブ開口面積を取ることができ、掃気排気行程でのバルブ開口面積はノーマルモードより大きく取ることが出来、ポンピングロスが削減される利点がある。更に、常に高効率カムの方がリフトが大きいので単純な可変バルブタイミング機構を用いることが出来、カムやロッカーアーム摺導面に衝撃を与えず磨耗させることもない。同時に掃気導入行程における合計バルブ開口面積を増大させることができ、掃気に対する大量の内部ＥＧＲを簡単なシステムで実現することが可能となる。また制御システムと組み合わせ機関のモード切換を自動的に行うことにより、暖気時間の短縮や触媒の温度や酸素濃度をコントロールすることが可能となる。【００５５】
なお本実施例の可変バルブ機構は２つのカムの単純な切換によるものであるが、もっと多くのカムを切換えるタイプのものでも、また電磁バルブ等を用いた連続可変バルブ機構を採用したものでも、バルブ開口面積を最大としたときであれば高効率モードのバルブリフトの最小リフトとなるタイミング点は同様にとることが各モードのバルブ開口面積をバランスよく大きくとることの出来る利点がある。したがって第３の課題解決手段において可変バルブ機構を２つのカムの単純な切換によるものに限定する必要はなく、連続可変バルブタイミング等の複雑なバルブ駆動方式を取るものも本発明の第３の課題解決手段の概念に含まれる。この点は第４および第７の課題解決手段においても同様である。
【実施例５】
【００５６】
図９は第３の課題解決手段を用いた他の１実施例である直噴式６サイクル機関の２バルブのシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。ディーゼル機関のように気筒内の直噴インジェクターで燃料を供給するタイプの内燃機関では掃気ポートと吸気ポートを共通とすることができるので、４サイクル機関と同様に本図のように吸気兼用の掃気バルブと排気バルブの最低２つのバルブで成り立つ。図９の実施例においても排気バルブの可変バルブタイミング機構が採用されており、図７の排気バルブカムシャフト１１０を備えている。掃気導入行程でのポンピングロスを無くすることができ、燃費の向上を図ることが出来るなど、実施例４と同様に第３の課題解決手段を用いた６サイクル機関の利点がある。
【実施例６】
【００５７】
図１０は第４の課題解決手段の1実施例である６サイクル機関の掃気バルブの可変バルブタイミング機構に用いられている掃気バルブカムシャフト１２０の断面図である。本実施例のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図は図５と同一となる。カムの１２時方向が爆発・膨張行程の始まりのピストンが上死点となるポイントに対応し、カムシャフトは反時計回りに回転する。手前側にあるカムが掃気バルブ駆動用のノーマルカム１２１であり吸気行程及び掃気導入行程でバルブが開くように設定されている。奥に見えているのが高効率カム１２２で、吸気行程と掃気導入行程以外に排気行程でもバルブが開くように設定されている。高効率カムに切換えることで、掃気排気行程でスロットルにより絞られ負圧となる掃気ポートへ内部ＥＧＲガスを含む掃気排気を還流させることができ、パーシャル時に掃気ポートの圧を高め、次の吸気行程で掃気ポートから燃焼室に導入する。掃気排気行程におけるバルブ開口面積を増大させることができ、吸気行程時には循環した排気ガスの分、圧力を高めポンピングロスを削減することができ、燃費の向上を図ることが出来る利点がある。吸気に対して適度なＥＧＲを実現し、機関の暖気時間を短縮することのできる利点もある。吸気に対する内部EGRを簡単なシステムで実現することが出来、制御システムと組み合わせモード切換を自動的に行なうことにより触媒の温度や酸素濃度をコントロールすることが可能となる。このときのＥＧＲガスの量は掃気ポートバルブ開度を閉じるほど増え、掃気ポートバルブ下流の掃気ポート容積が大きいほど増える。
【実施例７】
【００５８】
図１１は第５および第６の課題解決手段を採用した１実施例の火花着火式６サイクル機関のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図である。燃焼室内に点火プラグ２６と直噴インジェクター６５を含めて効率良く配置し、かつ高い回転数を実現するために第２の課題解決手段による３バルブのレイアウトを採用している。本実施例では燃焼室内の点火プラグ２６の位置を吸気バルブ２２よりも掃気バルブ４２の近くに配置し、吸気行程において点火プラグが掃気バルブから導入される掃気にまず洗われるようにして、吸気バルブ２２からの濃厚な混合気が点火プラグを直接洗わないようにしている。【００５９】
図１２は実施例７の機関の成層混合領域と均質混合領域を示す運転マップを示している。本運転マップが制御用のコンピュータに記憶されている。成層混合領域では混合気を成層化してプラグ付近に着火しやすい濃い混合気が分布されるようにして、全体として希薄な混合気の燃焼を可能としている。希薄混合気の火炎伝播速度は遅くなるので低回転領域に限られ、低負荷領域でのポンピングロスの削減が目的であるので低回転低負荷領域に限られて設定されている。太い実線の下側が直噴インジェクターのみで必要な燃料を供給可能な領域を示している。機関回転が上昇すると吸気から着火までの燃料噴射可能な時間が短くなるので、直噴インジェクターのみで運転可能な領域は双曲線に近い形となる。本実施例では設定した成層混合領域を直噴インジェクター６５からの燃料供給のみでまかなうことが出来る様に設定されていることが理解される。最高回転数で最大負荷まで直噴インジェクターのみで燃料供給を行おうとした場合の１／４程度の時間当たりの噴射量で済むので、その分直噴インジェクターに供給する燃料の圧力を下げることが出来、燃料供給量が少なくて済む。そのため燃料ポンプの小型化が可能となり、消費電力も下がり、機関の燃料ポンプ駆動フリクションが低減される利点がある。また直噴インジェクター自体も小型化することが出来、ヘッド周りのレイアウトが容易になる利点がある。【００６０】
本実施例では吸気行程においてプラグ２６のそばに掃気ポート４１を配置し、吸気バルブ２２はプラグから離れているので吸気の濃厚な混合気が直接プラグを洗うことはなく、プラグ周りは乾燥した状態に保たれる。このような状態であれば気筒内に備えられた直噴インジェクター６５から低負荷時と同じようにプラグ周りの混合気が濃くなるように設定された噴射を行なっても、点火プラグはくすぶりを発生しないし黒煙も生じない。吸気ポートの燃料供給装置は成層混合領域では作動せず、気筒内には直噴インジェクターからの燃料噴射によりプラグ周りが濃い成層状態の混合気が形成され、成層燃焼が行なわれる。このように直噴インジェクターは常に成層状態の混合気が形成するような噴射をすべての運転領域で行なえば良く、構造が複雑化することがない。
【実施例８】
【００６１】
図１３は第７の課題解決手段の１実施例である６サイクル機関の吸気バルブの可変バルブタイミング機構に用いる吸気バルブカムシャフト１３０の断面図である。カムの１２時方向が爆発・膨張行程の始まりのピストンが上死点となるポイントに対応し、カムシャフトは反時計回りに回転する。本実施例の火花着火式６サイクル機関のシリンダーヘッドをピストン側から見た平面図は図１１と同一となる。手前側にあるカムが吸気バルブ駆動用のノーマルモード用のカム１３１であり吸気行程のみでバルブが開くように設定されている。奥に見えているのが高効率モードのカム１３２で、吸気行程時のカム形状は同一であるが、更に掃気導入行程でもバルブが開くように設定されている。【００６２】
図１４は、本実施例の制御フローチャート図である。システムとしては図１５を参照されたい。機関制御用コンピュータ６１０には、ドライバーの操作するアクセルに連動して作動する６サイクル機関１のスロットルバルブに取り付けられたスロットルバルブセンサ２４、回転数センサ５２、燃料供給装置２５、直噴インジェクター６５が接続されており、コンピュータ６１０は記憶された燃料噴射運転マップからスロットル開度検出値と機関回転数検出値に対する燃料供給装置作動時間を読み取り、燃料供給装置２５と直噴インジェクター６５をその指定作動時間だけ作動させ、適量の燃料を供給する。燃料噴射運転マップにより吸気ポート内の燃料供給装置２５を作動させない層状混合運転領域では吸気可変バルブタイミング機構に備えられたタイミングカムを切換えるアクチュエータ（本図では１１５，１２５となっている。）を作動させ、吸気バルブカムを高効率カムに切換え、燃料供給装置２５を作動させる均一混合運転領域ではノーマルカムに戻す。燃料供給装置２５から燃料を供給しない運転領域では吸気ポート内のガスは混合気とはならず掃気と同じ新気であるので、高効率モードのカムに切換えることで掃気導入行程に吸気バルブからも新気を導入することができるので、合計のバルブ開口面積を増大させ掃気導入行程時のポンピングロスを削減することができ、燃費の向上を図ることが出来る利点がある。
【実施例９】
【００６３】
図１５は、第８の課題解決手段の１実施例の制御システム図である。本課題解決手段は本発明の第３、第４の課題解決手段による６サイクル機関の制御システムとして用いるものである。機関制御用コンピュータ６１０には、ドライバーの操作するアクセルに連動して作動する６サイクル機関１のスロットルバルブに取り付けられたスロットルバルブセンサ２４、排気触媒３３の手前の排気温度を検出する温度センサ３８、クランクの回転数を検出する回転数センサ５２及び燃料供給装置２５が接続されており、スロットル開度検出値と機関回転数検出値に対する記憶された燃料噴射マップから燃料供給装置作動時間を読み取り、燃料供給装置２５をその作動時間だけ作動させる。当該コンピュータ６１０には積分機能が備えられており、過去の一定時間の燃料噴射量の積分値を算出し記憶する機能と、過去の一定時間のモード切換状況を記憶する手段を有している。更にコンピュータ６１０は、排気、掃気の各可変バルブタイミング機構に備えられたタイミングカムを切換える各アクチュエータ１１５，１２５に接続されており、温度検出値、機関回転数検出値、過去一定期間の燃料噴射量の積分値及びその時の運転モードの記憶から、記憶された一定の条件に沿って当該アクチュエータを作動させる。【００６４】
図１６は、実施例４の機関に適用する第８及び第９の課題解決手段である1実施例の制御フローチャート図である。排気温度検出値と、過去一定時間の燃料噴射量積分値とモード切換状況から温度センサの感知遅れと触媒の昇温速度を考慮した推定排気触媒温度を算出し、暖気状態、中間状態、過熱状態に分ける。図１５のシステムの排気温度検出位置はこの温度センサの感知遅れと触媒の昇温の遅れがほぼ等しい位置に置かれており、この時間の補正を物理的に行っている。コンピュータは温度検出値等により、暖気状態の温度であれば冷却が不要と判断し排気バルブカムを高効率カム１１２に切換えるようにアクチュエータ１１５を作動させ、過熱状態の温度であれば冷却が必要と判断しノーマルカム１１１に戻すように作動させる。中間状態の場合は現在のスロットル開度とエンジン回転数から記憶してある図１８の制御マップにより冷却の必要性を判断し、アクチュエータ１１５を作動させ、冷却しておく必要がある場合は排気バルブカムをノーマルカムに戻し、それ以外の場合は高効率カムに切換える。【００６５】
図１７は、実施例５の機関に適用する第８及び第９の課題解決手段である1実施例の制御フローチャート図である。排気温度検出値と、過去一定時間の燃料噴射量積分値とモード切換状況から温度センサの感知遅れを考慮した推定排気触媒温度を算出し、暖気状態、中間状態、過熱状態に分ける。図１５のシステムの排気温度検出位置はこの温度センサの感知遅れと触媒の昇温の遅れがほぼ等しい位置に置かれており、この時間の補正を物理的に行っている。コンピュータは温度検出値等により、暖気状態の温度であれば冷却が不要と判断し排気バルブカムを高効率カム１２２に切換えるようにアクチュエータ１２５を作動させ、過熱状態の温度であれば冷却が必要と判断しノーマルカム１２１に戻すように作動させる。中間状態の場合は現在のスロットル開度とエンジン回転数から記憶してある図１８の制御マップにより冷却の必要性を判断し、アクチュエータ１２５を作動させ、冷却しておく必要がある場合は掃気バルブカムをノーマルカムに戻し、それ以外の場合は高効率カムに切換える。【００６６】
図１８は第８及び第９の課題解決手段に用いるバルブ切換制御マップであり、機関制御用コンピュータ６１０に記憶されている。太い実線の下側が排気バルブカムを高効率カムとする運転領域を示しており、太い点線の下側は掃気バルブカムを高効率カムとする運転領域を示している。それぞれ上側はノーマルカムに切換える運転領域を示している。機関回転数が高い場合には極低負荷以外は冷却の必要性が生じ、機関回転数が低い場合には多少負荷が高くても熱伝導により冷却されるので冷却の必要性は低くなり、高効率カムの運転領域が広がる。排気バルブを高効率モードに切換える方がポンピングロス削減効果は大きく、またＥＧＲを効かせるためには先ず排気バルブを高効率モードに切換える必要があるので、本実施例では排気バルブが高効率カムに切換わっているときのみ掃気バルブも高効率カムに切換わるマップとなっている。本切換制御マップは単純化のために２次元のものとしたが、より精密な機関モードの制御を望む場合には、推定排気温度と現在のスロットル開度とエンジン回転数の３次元の切換制御マップによりバルブカムを高効率カムとノーマルカムに切換えることも可能である。その場合は図１６、図１７の第２ステップが省略される。この３次元マップを持つ概念も本発明概念に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
６サイクル機関は燃費競技車で使われたと伝えられ、燃費競技車としての実績から燃費に対してのポテンシャルが高いことは示されてきたが、内容が公開されたことが無く、市場では４サイクル機関が技術的に完成されていることもあり、４サイクル機関に比べて同一回転数で爆発回数が少なく出力低下が予想されたことなどから、本格的に量産化に向けての検討がなされた形跡がない。しかし、実際に検討してみると、圧縮比が高められるので燃費効率が向上し、吸気時の燃焼室温度が４サイクル機関に対して低いので充填効率が向上し、吸気が開始されるときに燃焼室に残っているガスは掃気なので酸素が存在しその分燃料の濃い混合気の使用ができる、という理由から６サイクル機関の出力は同一の排気量の４サイクル機関にかなり近い出力を出せることが分かってきた。【００６８】
さらに本発明の各課題解決手段を採用した６サイクル機関は、その他の懸念項目に対しても、パーシャル時に４サイクル機関に対して増加する懸念のあった掃気導入時のポンピングロスをほとんど無くすことができ、ポートの数が増えることによりバルブ面積の確保が懸念されたが４サイクル機関と同等のバルブ面積を確保することができ、更に排気触媒の温度低下の懸念に対して大量の内部EGRをシンプルな構造で可能とする手段を提供することにより解決するものである。したがって本発明は優れた燃費を持つ６サイクル機関を実用化するに当っての懸念のすべてを解決するものであり、その意義は大きい。すなわち本発明の利用可能性は、燃費の優れた内燃機関を必要とするすべての利用用途に対して存在する。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年8月20日(2008.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の全６行程を持つ内燃機関（以下、６サイクル機関という。）であって、吸気ポートに燃料供給装置を備え、
吸気ポートに吸気バルブ、掃気ポートに掃気バルブ、排気ポートに排気バルブを備え、
吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開くことを特徴とする６サイクル機関。
【請求項２】
吸気バルブの総面積に比べて掃気ポートの総面積が大きいことを特徴とする請求項１の６サイクル機関。
【請求項３】
燃焼室に直噴インジェクターを更に備えた請求項１又は請求項２の６サイクル機関。
【請求項４】
機関回転数を検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、当該両検出値によって当該燃料供給装置と当該直噴インジェクターを制御するプログラムされたコンピュータを備え、吸気ポートの燃料供給装置から燃料を供給しない運転領域が存在することを特徴とする請求項３の６サイクル機関。
【請求項５】
燃焼室内の点火プラグ位置を吸気バルブよりも掃気バルブの近くに配置したことを特徴とする請求項３の内燃機関。
【請求項６】
吸気バルブ駆動機構に可変バルブタイミング機構を備え、当該可変バルブタイミング機構は吸気行程でのみ吸気バルブを開くノーマルモードと、吸気行程と掃気導入行程で開く高効率モードに相互に移行可能なものであることを特徴とする請求項３の６サイクル機関。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の第１の課題解決手段は、吸気ポートに燃料供給装置を備えた６サイクル機関のバルブ制御機構であって、吸気ポートにスロットルバルブ、掃気ポートに掃気ポートバルブを備え、それらのバルブはスロットル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作によりスロットルバルブの開度と掃気ポートバルブの開度を相対的に変化させることのできる手段と、排気触媒の温度を感知する手段を備え、排気触媒の温度が低い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を閉じる側に当該アクチュエータを駆動し、排気触媒の温度が高い場合にはスロットルバルブに対して掃気ポートバルブの開度を開く側に当該アクチュエータを駆動することを特徴とする。
【国際調査報告】
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