(57)【要約】      （修正有）【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または加速時の吸気量の不足を補う。【解決手段】気筒１に充填される吸気を流通させる第一の吸気経路３及び第二の吸気経路４と、第一の吸気系路３上に設けられ、気筒１においてピストンが吸気下死点に到達するよりも早いタイミングで閉じる吸気バルブ３５と、第二の吸気経路上に設けられ、気筒１において吸気バルブが閉じた後に開く制御バルブ４５とを具備する内燃機関を構成した。低中負荷域では、制御バルブを閉止し、第一の吸気経路から気筒１に吸気を供給してアトキンソンサイクルを実現する。その上で、吸気量の不足を補う必要がある状況では、第二の吸気系路４上の制御バルブを開放して、第二の吸気経路４からも気筒１に吸気を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが同じ気筒に接続し、当該気筒に充填される吸気を流通させる第一の吸気経路及び第二の吸気経路と、
前記第一の吸気系路上に設けられ、前記気筒においてピストンが吸気下死点に到達するよりも早いタイミングで閉じる吸気バルブと、
前記第二の吸気経路上に設けられ、前記気筒において前記吸気バルブが閉じた後に開く制御バルブと
を具備する内燃機関。
【請求項２】
前記第二の吸気経路を流通する吸気を圧縮する過給機を具備する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記第二の吸気経路に接続し、前記過給機により圧縮された吸気を蓄える蓄圧タンクを具備する請求項２記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アトキンソンサイクルを実現する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒の吸気行程において、吸気バルブを吸気下死点のタイミングよりも早く閉じることで、実効的に圧縮行程のストローク長が膨張行程のストローク長よりも短くなり、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）が実現される（例えば、下記特許文献を参照）。
【０００３】
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、実圧縮比と実膨張比とが概ね等しいオットーサイクルと比較して、ポンピングロスを低減しながら排熱量を減少させ熱効率を高めることができる点で有利である。
【０００４】
一方、低回転領域では、気筒に充填される吸気の量が少なく、圧縮圧力も小さくなって、エンジントルクが低下するきらいがある。このため、機関の始動の遅延を招いたり、加速要求に対する応答性が不十分となったりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０３６１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、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加速時の吸気量の不足を補うことを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するべく、本発明では、それぞれが同じ気筒に接続し、当該気筒に充填される吸気を流通させる第一の吸気経路及び第二の吸気経路と、前記第一の吸気系路上に設けられ、前記気筒においてピストンが吸気下死点に到達するよりも早いタイミングで閉じる吸気バルブと、前記第二の吸気経路上に設けられ、前記気筒において前記吸気バルブが閉じた後に開く制御バルブとを具備する内燃機関を構成した。
【０００８】
このようなものであれば、第二の吸気系路上の制御バルブを閉止（または、その開度を縮小）し、第一の吸気経路から気筒に吸気を供給するようにして、アトキンソンサイクルを実現できる。
【０００９】
その上で、機関の始動時や加速時等、吸気量の不足を補う必要がある状況では、第二の吸気系路上の制御バルブを開放（または、その開度を拡大）し、第一の吸気経路だけでなく第二の吸気経路からも気筒に吸気を供給することで、吸気量を増加させることが可能である。
【００１０】
前記第二の吸気経路を流通する吸気を圧縮する過給機を具備していれば、吸気量を一層効果的に加増できる。
【００１１】
さらに、前記第二の吸気経路に接続し、前記過給機により圧縮された吸気を蓄える蓄圧タンクを具備していれば、より好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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加速時の吸気量の不足を補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関の概要を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の吸気経路の構成を示す図。
【図３】同実施形態における二つの吸気経路の各吸気バルブの開弁期間を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１及び図２に、本実施形態における車両用内燃機関を示す。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を備えている。なお、図１には、複数の気筒１のうちの一つを図示している。
【００１５】
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。
【００１６】
吸気を供給するための吸気経路３、４は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポート３０、４０へと導く。本実施形態の内燃機関には、二つの吸気経路３、４が存在している。
【００１７】
第一の吸気経路３上には、エアクリーナ３１、スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４及び吸気バルブ３５を、上流からこの順序に配置する。
【００１８】
スロットルバルブ３２は、サーボモータ、ステッピングモータ等のアクチュエータに制御信号ｋを入力することで開閉させることが可能な電子スロットルバルブであり、運転者が操作するアクセルペダルの踏込量に応じてその開度を変化させる。吸気バルブ３５は、吸気カムシャフトに固定された吸気カム１３により、周期的に開閉駆動される。吸気カムシャフトは、内燃機関のクランクシャフト７から巻掛伝動装置（タイミングチェーン及びスプロケット）を介して回転駆動力の伝達を受けて回転する。
【００１９】
第二の吸気経路４上には、エアクリーナ４１、過給機であるコンプレッサ４２、インタクーラ４３、蓄圧タンク４４、制御バルブ４５、吸気マニホルド４６及び吸気バルブ（図示せず）を、上流からこの順序に配置する。
【００２０】
コンプレッサ４２は、駆動モータに制御信号ｎを入力することで回転駆動可能な電動コンプレッサであり、第二の吸気経路４を流通する吸入空気を加圧圧縮（過給）する。蓄圧タンク４４は、コンプレッサ４２が圧縮した吸気を蓄える役割を担う。制御バルブ４５は、ソレノイドまたはアクチュエータに制御信号ｍを入力することで開閉させることが可能な電動の流量制御バルブである。第二の吸気経路４における吸気バルブは、第一の吸気経路における吸気バルブ３５と同様、吸気カムシャフトに固定された吸気カム（図示せず）により周期的に開閉駆動される。
【００２１】
第二の吸気経路４における、蓄圧タンク４４の上流側かつコンプレッサ４２（インタクーラ４３）の下流側には、チェックバルブ４７を設ける。チェックバルブ４７は、コンプレッサ４２の停止時に過給気が蓄圧タンク４４からコンプレッサ４２に向けて逆流することを阻止する。
【００２２】
排気を排出するための排気経路６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６０から外部へと導く。この排気経路６上には、排気バルブ６３、排気マニホルド６２及び排気浄化用の三元触媒６１を配置している。排気バルブ６３は、排気カムシャフトに固定された排気カム１４により、周期的に開閉駆動される。排気カムシャフトは、内燃機関のクランクシャフト７から巻掛伝動装置を介して回転駆動力の伝達を受けて回転する。
【００２３】
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。
【００２４】
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、吸気経路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。
【００２５】
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、制御バルブ４５に対して開度操作信号ｍ、コンプレッサ４２に対して制御信号ｎ等を出力する。
【００２６】
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。
【００２７】
また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ）に制御信号ｏを入力し、この電動機によりクランクシャフト７を回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフト７の回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。
【００２８】
本実施形態の内燃機関にあって、第一の吸気経路３は、アトキンソンサイクルを実現するための吸気経路である。これに対し、第二の吸気経路４は、必要に応じて気筒１に充填される吸気の量を加増するための吸気経路である。
【００２９】
図３に、第一の吸気経路３における吸気バルブ３５及び第二の吸気経路４における吸気バルブの各々の開閉タイミングを示す。図３中、第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５の開弁期間を実線で表し、第二の吸気経路４上の吸気バルブの開弁期間を破線で表している。
【００３０】
第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５は、気筒１のピストン１５が排気上死点に到達するよりも早いタイミングで開き、ピストン１５が吸気下死点に到達するよりも早いタイミングで閉じる。つまり、この吸気バルブ３５は、ピストン１５が排気上死点から吸気下死点に向けて移動する吸気行程の中途で閉弁する。
【００３１】
第二の吸気経路４上の吸気バルブは、吸気行程における、第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５が閉弁した後に開弁する。特に、この吸気バルブは、気筒１のピストン１５が吸気下死点に到達する直前、即ち吸気行程の終期に開き、ピストン１５が吸気下死点から圧縮上死点に向けて移動する圧縮行程の開始後に閉じる。第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５と、第二の吸気経路４上の吸気バルブとの開閉タイミングの位相差は、第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５を押し開く吸気カム１３と、第二の吸気経路４上の吸気バルブを押し開く吸気カムとの回転位相差によって規定される。
【００３２】
第二の吸気経路４上の吸気バルブが開くときに、同じ第二の吸気経路４上の制御バルブ４５が閉じていれば、吸気が第二の吸気経路４から気筒１に供給されない。従って、実効的な吸気行程のストローク長が第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５が閉じるまでの期間に限定され、実膨張比が実圧縮比を超越するアトキンソンサイクルが実現される。
【００３３】
翻って、第二の吸気経路４上の吸気バルブが開くときに、第二の吸気経路４上の制御バルブ４５が開いていれば、蓄圧タンク４４に蓄えられていた高圧の吸気が気筒１に供給される。即ち、第一の吸気経路３から供給される吸気に、第二の吸気経路４から供給される吸気が加増されるため、実圧縮比と実膨張比がほぼ等しいオットーサイクルに近い挙動となる。第二の吸気経路４から気筒１に供給される吸気の量は、制御バルブ４５の開度の操作を通じて制御することが可能である。
【００３４】
ＥＣＵ０は、そのときの運転領域に応じて、制御バルブ４５の開度を拡縮させる。例えば、アクセル開度が比較的小さい低負荷ないし中負荷の運転領域では、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量は少なくてよい。よって、制御バルブ４５を閉じるかその開度を縮小して、第一の吸気経路３のみから、または第一の吸気経路３を主として気筒１に吸気を供給し、内燃機関をアトキンソンサイクルで運転する。これにより、内燃機関のポンピングロスが低減し、かつ排熱量が減少して熱機械変換効率が高まる。
【００３５】
アクセル開度が大きい高負荷の運転領域では、制御バルブ４５の開度を大きく開き、第一の吸気経路３及び第二の吸気経路４の双方から気筒１に吸気を供給し、内燃機関をオットーサイクルで運転する。これにより、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量が増加し、要求負荷に見合った高いエンジントルクが出力される。
【００３６】
内燃機関の始動時にも、制御バルブ４５の開度を大きく開き、第一の吸気経路３及び第二の吸気経路４の双方から気筒１に吸気を供給することで、機関の始動性を担保する。
【００３７】
低速運転中に、アクセルペダルが強く踏み込まれる加速要求があった場合には、気筒１に充填される吸気量を速やかに増加させる必要があるが、制御バルブ４５を開弁することにより、蓄圧タンク４４から予め加圧された吸気が第二の吸気経路４を介して気筒１に充填されるため、加速要求に対する応答性が向上する。
【００３８】
電動コンプレッサ４２は、車両が減速する際の回生制動により回収（発電）される電気エネルギを利用して、あるいは、車両の駐車中に外部電源（家庭用の給電コンセントや、駐車場に付設された非接触式の充電機構等）から供給される電気エネルギを利用して、吸気を圧縮して蓄圧タンク４４に蓄えるものとすることが好ましい。さすれば、内燃機関による燃料消費量の削減に寄与し得る。
【００３９】
本実施形態では、それぞれが同じ気筒１に接続し、当該気筒１に充填される吸気を流通させる第一の吸気経路３及び第二の吸気経路４と、前記第一の吸気系路３上に設けられ、前記気筒１においてピストン１５が吸気下死点に到達するよりも早いタイミングで閉じる吸気バルブ３５と、前記第二の吸気経路４上に設けられ、前記気筒１において前記吸気バルブ３５が閉じた後に開く制御バルブ４５とを具備する内燃機関を構成した。
【００４０】
本実施形態によれば、低中負荷域において、第二の吸気系路４上の制御バルブ４５を閉止（または、その開度を縮小）し、専らまたは主として第一の吸気経路３から気筒１に吸気を供給して、アトキンソンサイクルを実現することができ、燃費性能の向上に資する。
【００４１】
その上で、機関の始動時や加速時等、吸気量の不足を補う必要がある状況では、第二の吸気系路４上の制御バルブ４５を開放（または、その開度を拡大）し、第一の吸気経路３だけでなく第二の吸気経路４からも気筒１に吸気を供給することで、吸気量及び燃料噴射量を増加させることができる。従って、機関の始動を徒に遅延させずに済み、加速のレスポンスも良化する。
【００４２】
第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５と、第二の吸気経路４上の吸気バルブとは同時に開弁しないため、第一の吸気経路３上に吸気の逆流を抑止するためのチェックバルブ（逆止弁）を設ける必要はない。
【００４３】
加えて、前記第二の吸気経路４を流通する吸気を圧縮する過給機４２を具備するものとしたため、制御バルブ４５を開弁することで可及的速やかに気筒１に充填される吸気量を増加させることができる。とりわけ、低速運転からアクセル開度が急拡大して高速運転へと移行するべき時点で、第一の吸気経路３におけるスロットルバルブ３２の下流側の吸気圧が慣性により依然として負圧であったとしても、過給機４２により過給された吸気を気筒１に供給できるので、加速要求に対する応答性がより一層向上する。
【００４４】
しかも、前記第二の吸気経路４に接続し、前記過給機４２により圧縮された吸気を蓄える蓄圧タンク４４をも具備するものとしたため、過給機４２により吸気を過給する時期と、第二の吸気経路４から気筒１に吸気を供給する時期とを互いに時間軸上でずらすことができる。このことは、車両または内燃機関の減速要求時に不要となる機械エネルギ（運動エネルギ）や、要求負荷が低いときに内燃機関が出力する余剰のエンジントルクを利用した過給機の駆動４２（即ち、吸気の圧縮）を可能とし、さらなる燃費性能の追求に有利となる。
【００４５】
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。例えば、過給機４２は電動コンプレッサには限定されない。過給機４２は、排気のエネルギを利用して回転するタービンによりコンプレッサを駆動して吸入空気を加圧圧縮する排気ターボ過給機であってもよいし、クランクシャフト７によりコンプレッサを駆動して吸入空気を加圧圧縮するスーパーチャージャであってもよい。
【００４６】
過給機４２及び蓄圧タンク４４は、必須の構成要素ではない。過給機４２及び蓄圧タンク４４を排し、第二の吸気経路４を第一の吸気経路３と同様の自然吸気経路としても、本発明の作用効果を奏し得る。
【００４７】
第一の吸気経路３上の吸気バルブ３５及び／または第二の吸気経路４上の吸気バルブの開閉タイミングを可変とする可変バルブタイミング機構を、内燃機関に実装することも考えられる。
【００４８】
その他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。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１…気筒
３…第一の吸気経路
３５…吸気バルブ
４…第二の吸気経路
４２…過給機
４４…蓄圧タンク
４５…制御バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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