(57)【要約】【課題】  油圧式のアクチュエータ等の複雑な動弁機構を用いることなく、排ガス特性及び運転性能の良好化を達成することができる内燃機関の吸気装置を提供する。【解決手段】  吸気通路(6)から分岐して気筒(4)に臨み並設された２つの吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁(16,24)と、一方の吸気ポート(14)に配設され、この吸気ポートを開閉するポート開閉弁(20)と、他方の吸気ポート(22)を開閉する吸気弁の開弁時期を一方の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期よりも遅いタイミングに設定し、各吸気弁の開閉時期を調整する２つのカム装置(18,26)と、内燃機関の運転状態に応じてポート開閉弁を作動させるコントローラ(38)とを具備し、コントローラは、内燃機関の低温始動時にはポート開閉弁を閉弁させる (40)。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路から分岐し、気筒に臨み並設された２つの吸気ポートと、
前記気筒の各々に配設され、前記各吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁と、
前記各吸気ポートのうち一方の吸気ポートに配設され、該一方の吸気ポートを開閉するポート開閉弁と、
前記各吸気ポートのうち他方の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期を前記一方の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期よりも遅いタイミングに設定し、該各吸気弁の開閉時期を調整する２つのカム装置と、
内燃機関の運転状態に応じて前記ポート開閉弁を作動させるコントローラとを具備し、
該コントローラは、前記内燃機関の低温始動時には前記ポート開閉弁を閉弁させることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
【請求項２】
前記他方の吸気ポートは、スワール流を生成させるポートであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項３】
前記各カム装置は、前記他方の吸気ポートを開閉する吸気弁の閉弁時期と前記一方の吸気ポートを開閉する吸気弁の閉弁時期とを略同じタイミングに設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項４】
前記コントローラは、吸気温度及び冷却水温度が低く、且つ、ローアイドル状態のときには前記ポート開閉弁を閉弁させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気装置に係り、詳しくは、気筒に一対の吸気ポートを備えた内燃機関の吸気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の内燃機関は吸気２弁式と称される。より具体的には、吸気ポートが吸気マニホールドから分岐して気筒に並設され、これら各吸気ポートは対応する各吸気弁でそれぞれ開閉される。そして、吸気が双方の吸気ポートから気筒内に導かれることによって吸気の充填効率が高められ、出力向上が図られる。
ここで、この吸気２弁式の内燃機関の低温時における排ガス特性を改善すべく、スワール流を利用して吸気の流速を高める技術（例えば、特許文献１参照）や、吸気弁の開弁時期を通常よりも遅くさせる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−２５９５８７号公報
【特許文献２】特開平９−２５６８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、機関の低温時に吸入空気の昇温を行うために吸気弁の遅開きを行うと、この低温時以外の通常時には開弁時期を元に戻す必要が生ずる。つまり、この吸気弁の開閉には、特許文献２に記載の油圧式のアクチュエータ、或いは電磁式のアクチュエータや可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構等が別途必要になり、これでは、吸気装置が複雑になって内燃機関の製造コストが増加するとの問題がある。
【０００４】
一方、吸気装置の複雑化を避けるべく、各吸気弁の開閉時期をカム装置で調整することも考えられる。しかしながら、２つの吸気弁の遅開きを各カム装置で行うと、上述の通常時における機関の中高回転域では吸気量が不足し、運転性能が低下するという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、油圧式のアクチュエータ等の複雑な動弁機構を用いることなく、排ガス特性及び運転性能の良好化を達成することができる内燃機関の吸気装置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】
【０００５】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の吸気装置は、吸気通路から分岐し、気筒に臨み並設された２つの吸気ポートと、気筒の各々に配設され、各吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁と、各吸気ポートのうち一方の吸気ポートに配設され、一方の吸気ポートを開閉するポート開閉弁と、各吸気ポートのうち他方の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期を一方の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期よりも遅いタイミングに設定し、各吸気弁の開閉時期を調整する２つのカム装置と、内燃機関の運転状態に応じてポート開閉弁を作動させるコントローラとを具備し、コントローラは、内燃機関の低温始動時にはポート開閉弁を閉弁させることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明では、他方の吸気ポートは、スワール流を生成させるポートであることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、各カム装置は、他方の吸気ポートを開閉する吸気弁の閉弁時期と一方の吸気ポートを開閉する吸気弁の閉弁時期とを略同じタイミングに設定することを特徴としている。
【０００７】
更にまた、請求項４記載の発明では、コントローラは、吸気温度及び冷却水温度が低く、且つ、ローアイドル状態のときにはポート開閉弁を閉弁させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
従って、請求項１記載の本発明の内燃機関の吸気装置によれば、吸気２弁式の内燃機関において、一方の吸気ポートには通常開きの吸気弁と、低温始動時には閉弁させるが、低温始動時以外の通常時には開弁させるポート開閉弁とが備えられ、他方の吸気ポートには遅開きの吸気弁が備えられている。よって、低温始動時には遅開きの吸気弁を備えた他方の吸気ポートのみで吸気行程が行われ、その吸気はポンプ損失分に伴う熱によって吸気弁を通過するときに温められる。従って、低温始動時の着火性が良好化され、更に、始動後の未燃燃料による白煙の排出も抑制可能となる。しかも、通常時には一方の吸気ポート及び他方の吸気ポートの双方で吸気行程が行われ、機関の中高回転域におけるポンプ損失の増大や吸気量の低下を最小限に抑制可能となる。この結果、例えば油圧式のアクチュエータ等の複雑な動弁機構を用いることなく、排ガス特性及び運転性能の良好化が達成される。
【０００９】
また、請求項２記載の発明によれば、他方の吸気ポートを介した吸気の流通によってスワール流が生成されることから、良好な燃焼によって低温始動時の性能が更に向上する。
更に、請求項３記載の発明によれば、２つの吸気弁をほぼ同じタイミングで閉弁させれば、気筒から吸気ポートへの吸気の吹き抜けがなくなり、運転性能及び排ガス特性の良好化が確実に達成可能となる。
【００１０】
更にまた、請求項４記載の発明によれば、低温始動時が吸気温度、冷却水温度、及びローアイドル状態に基づいて設定され、この条件が成立した場合にはポート開閉弁を閉弁させる。つまり、着火性の改善が真に望まれるときだけポンプ損失を増大させて圧縮上死点時における空気を温めるのに対し、例えば全負荷運転では他の制御が行われ、吸気２弁式の内燃機関に対する運転の効率化を図る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、４気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１の概略構成図である。当該エンジン１には本発明の一実施形態に係る吸気装置が適用されている。
同図に示されるように、エンジン１のシリンダブロック２には、燃料噴射装置を有した燃料供給系（図示せず）の他、吸気マニホールド（吸気通路）６が接続されている。この吸気マニホールド６は吸気管８に接続されている。また、シリンダブロック２には、各気筒４からの排気を集合させる排気マニホールド１０が接続され、排気マニホールド１０は排気管１２に接続されている。
【００１２】
この吸気マニホールド６には各気筒４に対応した４組の吸気ポート１４，２２が配設されている。具体的には、１組の吸気ポートは通常ポート（一方の吸気ポート）１４とスワールポート（他方の吸気ポート）２２とから構成される。これら通常ポート１４及びスワールポート２２は吸気マニホールド６から分岐し、途中で合流することなく、気筒４に向けて並設されている。
【００１３】
通常ポート１４は気筒４に配設された吸気弁（一方の吸気弁）１６によって開閉される。詳しくは、図中Ｒで示された吸気弁１６は、気筒４内と通常ポート１４とを連通する吸気口を開閉している。この吸気弁１６はベースカム（一方のカム装置）１８によってその開閉タイミングが設定されている。また、通常ポート１４はポート開閉弁（ＳＣＶ）２０によっても開閉される。つまり、このＳＣＶ２０は通常ポート１４と吸気マニホールド６とを連通する導入口を開閉している。
【００１４】
これに対し、スワールポート２２は通常ポート１４の接続位置よりも前側の位置にて気筒４に接続されている。また、スワールポート２２はこの気筒４との接続位置近傍に湾曲部２３を有しており、吸気が湾曲部２３の内壁に沿って気筒４内に導入されることにより、スワール流が生成される。なお、このスワール流はＳＣＶ２０が通常ポート１４を閉弁することによって強化される。
【００１５】
そして、このスワールポート２２は気筒４に配設された吸気弁（他方の吸気弁）２４によって開閉される。より詳しくは、図中Ｆで示された吸気弁２４は、気筒４内とスワールポート２２とを連通する吸気口を開閉している。この吸気弁２４は遅開きカム（他方のカム装置）２６によってその開閉タイミングが設定されている。
吸気は吸気管８を介して吸気マニホールド６に至り、通常ポート１４及びスワールポート２２をそれぞれ介して各気筒４内に導かれる。そして、燃料供給系から供給される燃料の燃焼によってクランク軸（図示せず）を作動させる。燃焼が終了すると、排気は排気弁２８の開閉に応じて排気ポート３０を介して排気マニホールド１０に排出され、排気管１２及びマフラ（図示せず）等を通って大気に排出される。
【００１６】
ここで、各気筒４の近傍の適宜位置にはエンジン１の冷却水温を検出する水温センサ３２が配設され、また、吸気マニホールド６の適宜位置には吸気温度センサ３４が配設されている。これら水温センサ３２や吸気温度センサ３４はコントローラ（ＥＣＵ）３８に電気的に接続されている。
また、このＥＣＵ３８の入力側には、これら水温センサ３２や吸気温度センサ３４の他、エンジン１の運転状態を検出する各種センサが電気的に接続されている。一方、ＥＣＵ３８の出力側には、上述の燃料供給系や通常ポート１４毎に設けられた各ＳＣＶ２０を駆動させるアクチュエータ３６等が電気的に接続されている。
【００１７】
ここで、本実施形態のＥＣＵ３８にはＳＣＶ制御部４０が備えられている。このＳＣＶ制御部４０では、水温センサ３２及び吸気温度センサ３４からの各出力信号や、エンジン１のアイドル状態の検出信号に基づいてＳＣＶ２０の開閉を判定し、この判定結果に応じてアクチュエータ３６に駆動信号を出力している。
また、ＥＣＵ３８では吸気弁１６，２４の開閉タイミングを調整している。具体的には、吸気弁１６の開閉タイミングはベースカム１８によって設定される。より詳しくは、図１の他、図２（ａ）に示されるように、本実施形態の吸気弁１６の開弁時期（Ｉ．Ｏ．）は排気上死点（ＴＤＣ）前十数度（ＣＡ）に設定されている。これに対し、吸気弁２４の開閉タイミングは遅開きカム２６によって設定される。より詳しくは、図１の他、図２（ｂ）に示されるように、本実施形態の吸気弁２４の開弁時期（Ｉ．Ｏ．）はＴＤＣ後十数度（ＣＡ）に設定されている。
【００１８】
このように、スワールポート２２を開閉する吸気弁２４の開弁時期は、ＳＣＶ２０を有する通常ポート１４を開閉する吸気弁１６の開弁時期よりも遅いタイミングに設定されている。その一方で、吸気弁１６及び吸気弁２４の閉弁時期（Ｉ．Ｃ．）は略同じタイミングに設定されている。この設定は、ベースカム１８や遅開きカム２６の如くの各カム装置によって達成可能であり、位相可変のみのＶＶＴ機構等では行えない。
【００１９】
図３はＥＣＵ３８によるエンジン始動時の制御フローチャートである。以下、上記のように構成された吸気装置の本発明に係る作用について説明する。
ステップＳ３０１では、エンジン１の始動時おいて、水温センサ３２や吸気温度センサ３４等に基づき、エンジン１の冷却水温、吸気温度やアイドル状態を読み込み、ステップＳ３０２に進み、まずはＳＣＶ２０を全閉状態にする。
【００２０】
ステップＳ３０３では、現在の吸気温度がエンジン１の低温状態の指標となる閾値ＴQ以上であるか否かを判別する。そして、現在の吸気温度が閾値ＴQ（本実施形態では２０℃とする）以上である場合、すなわちＹＥＳのときにはステップＳ３０４に進み、ＳＣＶ制御部４０にてＳＣＶ２０を全開状態にし、通常ポート１４を絞らずに一連のルーチンを抜ける。なお、この場合には、吸気は通常ポート１４及びスワールポート２２の双方から気筒４に導入され、通常のエンジン制御に移行される。
【００２１】
具体的には、図４（ａ）に示されるように、ＳＣＶ２０を全開状態にて通常ポート１４の密閉を解除し、通常ポート１４及びスワールポート２２から吸気を気筒４に導入させる。この場合には、図４（ｂ）に示されるように、その筒内圧は一点鎖線で示されるベースカム１８で開閉させた場合の筒内圧に比して僅かに小さくなり、同図の斜線にて示される如くポンプ損失が微増するものの、エンジン１の中高回転域におけるポンプ損失の増大や吸気量の低下は最小限に抑えられる。
【００２２】
一方、ステップＳ３０３にて現在の吸気温度が閾値ＴQ未満のときには、ステップＳ３０５に進む。このステップＳ３０５では、現在の冷却水温がエンジン１の低温状態の他の指標となる閾値ＴW以上であるか否かを判別する。そして、現在の冷却水温が閾値ＴW（本実施形態では３０℃とする）以上である場合、すなわちＹＥＳのときにはステップＳ３０４に進んで上記通常のエンジン制御に移行される。
【００２３】
しかし、ステップＳ３０５にて現在の冷却水温が閾値ＴW未満のときには、ステップＳ３０６に進む。このステップＳ３０６では、ローアイドル状態ではないか否かを判別する。そして、ローアイドル状態以外、例えば全負荷運転である場合、すなわちＹＥＳのときにはステップＳ３０７に進み、ＳＣＶ制御部４０にてＳＣＶ２０を全開状態にし、この場合にも通常ポート１４を絞らずに一連のルーチンを抜ける。ただし、この場合には、現在の吸気温度や冷却水温がいずれも閾値ＴQや閾値ＴW未満であることから、吸気は通常ポート１４及びスワールポート２２の双方から気筒４に導入されるものの、例えば燃料を増量させる如く、エンジン１の低温時の補正制御に移行される。
【００２４】
ところで、ステップＳ３０６にてローアイドル状態であるときには、エンジン１の低温始動時制御に移行される。つまり、ステップＳ３０８に進み、ＳＣＶ制御部４０がＳＣＶ２０を全閉状態のまま維持する。
より具体的には、図５（ａ）に示されるように、ＳＣＶ２０を全閉状態にして通常ポート１４を絞り、スワールポート２２からのみ吸気を気筒４に導入させる。ここで、このスワールポート２２は遅開きカム２６による吸気弁２４で開閉されている。つまり、図５（ｂ）に示されるように、その筒内圧が一点鎖線で示されるベースカム１８による筒内圧に比して大幅に小さくなり、同図の斜線にて示されるように、ポンプ損失が大幅に増大していることが分かる。そして、このポンプ損失分の熱が吸気を温める。
【００２５】
この点は、吸気弁２４の開弁時期と圧縮上死点における空気の温度との関係を示す図（図６）にて説明される。
すなわち、吸気弁２４の開弁時期を遅いタイミングに移行すればポンプ損失が生じ、気筒内の空気量（二点鎖線で示す）が次第に減少する。そして、気筒４内に導入され、圧縮上死点における吸気の温度は、同図の実線にて示されるように、吸気弁２４の開弁時期をＴＤＣよりも遅いタイミングに設定するに連れて急激に上昇していることが分かる。なお、本実施形態の遅開きカム２６の設定による吸気の温度は、ベースカム１８で設定した場合に比して約２０℃上昇する。これにより、エンジン１の低温始動時の着火性は改善される。
【００２６】
なお、上記ステップＳ３０６において全負荷運転であったとしても、その後、全負荷運転からローアイドル状態になった場合には、現在の吸気温度や冷却水温がいずれも閾値ＴQや閾値ＴW未満であることを条件として、上記エンジン１の低温始動時制御に移行される。
以上のように、本実施形態では、現有のＳＣＶ２０の構成とカム装置１８，２６の構成とによってエンジン１の低温時性能の改善を図ることに着目したものである。
【００２７】
そして、吸気２弁式のディーゼル機関において、通常ポート１４にはベースカム１８による通常開きの吸気弁１６と、低温始動時には閉弁させるものの、その他の時には開弁させるＳＣＶ２０とが備えられている。一方、スワールポート２２には遅開きカム２６による遅開きの吸気弁２４が備えられている。よって、低温始動時にはＳＣＶ２０で通常ポート１４を密閉させ、吸気弁２４を備えたスワールポート２２のみで吸気行程が行われるので、その吸気はポンプ損失分に伴う熱によって吸気弁２４を通過するときに温められる。従って、熱損失が大きいことによる低温始動時の着火性が良好になり、更に、エンジン１の始動後の未燃燃料による白煙の排出も抑制可能となる。
【００２８】
しかも、低温始動時以外の時には通常ポート１４及びスワールポート２２の双方で吸気行程が行われ、エンジン１の中高回転域におけるポンプ損失の増大や吸気量の低下を最小限に抑制可能となる。
これらの結果、従来の如く油圧式のアクチュエータ等の複雑な動弁機構を用いることなく、排ガス特性及び運転性能の良好化が達成される。
【００２９】
また、湾曲部２３を経て生成されるスワール流が気筒４内に導入されることにより、良好な燃焼によって低温始動時の性能が更に向上する。
更に、２つの吸気弁１６，２４をほぼ同じタイミングで閉弁させれば、吸気の吹き抜けがなくなり、排ガス特性及び運転性能の良好化が確実に達成可能となる。
更にまた、吸気温度が２０℃未満であって、冷却水温度が３０℃未満、且つ、ローアイドル状態である場合のみ低温始動時であると判定され、ＳＣＶ２０を閉弁させる。つまり、着火性の改善が真に望まれるときだけポンプ損失を増大させて圧縮上死点時における空気が温められるので、エンジン１に対する運転の効率化が図られる。
【００３０】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。例えば、ディーゼル機関が好ましいが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸気装置が適用されるエンジンの構成図である。
【図２】図１のカム装置による吸気弁の開弁時期を説明する図である。
【図３】図１の吸気装置におけるエンジン始動時の制御フローチャートである。
【図４】図１の吸気装置における通常時の動作を説明する図である。
【図５】図１の吸気装置における低温始動時の動作を説明する図である。
【図６】図５の吸気装置による吸気弁の開弁時期と圧縮上死点における空気の温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ディーゼル機関（内燃機関）
４  気筒
６  吸気マニホールド（吸気通路）
１４  通常ポート（一方の吸気ポート）
１６  吸気弁（一方の吸気弁）
１８  ベースカム（一方のカム装置）
２０  ポート開閉弁（ＳＣＶ）
２２  スワールポート（他方の吸気ポート）
２４  吸気弁（他方の吸気弁）
２６  遅開きカム（他方のカム装置）
３２  水温センサ
３４  吸気温度センサ
３８  コントローラ（ＥＣＵ）
４０  ＳＣＶ制御部
【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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