(57)【要約】【課題】スワールポートの空気流量を制御することで、所定の吸入空気量を確保しつつ、任意の強さのスワールを形成することができる内燃機関を提供する。【解決手段】吸気の過給圧が可変である過給機を備え、一の気筒に吸気弁を複数設け、これらの吸気弁により開閉される吸気通路を複数配置し、少なくとも一の吸気通路を低スワールポートを形成する吸気通路とし、他の吸気通路を前記過給機によって過給がされる高スワールポートを形成する吸気通路として、過給圧の調整によって吸入空気量及びスワールを制御する。高スワールを発生させる際に、充分な空気量を内燃機関に供給することができ、スワールの発生と吸入空気量の確保を両立することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気の過給圧が可変である過給機を備え、気筒内に燃料を噴射する内燃機関において、
一の気筒に吸気弁を複数設け、これらの吸気弁により開閉される吸気通路を複数配置し、少なくとも一の吸気通路を低スワールポートを形成する吸気通路とし、他の吸気通路を前記過給機によって過給がされる高スワールポートを形成する吸気通路として、過給圧の調整によって吸入空気量及びスワールを制御することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記低スワールポートは自然空気通路であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
複数の吸気通路について吸気弁の開時期は同一であり、燃焼室内の圧力が所定の圧力まで上昇したときには、低スワールポート側の吸気弁のみを閉じることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記過給機は、可変ターボ、可変ノズルターボ、スーパーチャージャのいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スワールポートのスワールを可変的に制御可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室内にスワールを発生させ、燃料と空気の混合を促進させる
スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を備えた内燃機関では、通常、インテークポートを少なくとも二つ有し、これらのポートをバルブにより切り換えて筒内にスワールを発生させる場合と、これを発生させない場合を使い分けている。
【０００３】
すなわち、吸排気弁をそれぞれ２弁ずつ備えた構造の場合、スワールを発生させるには、二つのインテークポートのうち、低スワールポートに設けたバルブを閉じ側にして、高スワールポートの吸気流量を増大させて、スワールを発生させる。
【０００４】
しかし、このような制御をすると低スワールポートの空気流量が減少し、全体としては吸入空気量が制限されて必要な空気量が吸入できない場合が生じる。図５に示すように、上記のような構造の内燃機関では、ＳＣＶの閉じ度を大きくすると、スワール比は上昇するが、流量係数（＝空気量）が減少する。また、低スワールポート１０１が絞られるため、ほとんど空気流入がされなくなり、筒内中心部への空気導入が抑制され、筒内で空気が充分に利用されなくなる。
【０００５】
したがって、高負荷時等には吸入空気量が不足する場合が生じるが、そのような場合は、高スワールの生成を停止して吸気通路を絞ることを止め、吸入空気量の確保を優先せざるを得ない状況が生じていた。
【０００６】
一方、一つの気筒に吸気弁を複数設け、自然吸気用の吸気通路と、過給用の吸気通路を設け、自然吸気用通路から燃焼室に流入する吸気と、過給用吸気通路から燃焼室に流入する吸気との間の流速の差に基づいて、スワールを生じさせる内燃機関が公知である（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１０９９２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の内燃機関では、吸気通路に過給された吸気を送るための過給装置が設けられ、この過給装置は内燃機関のクランク軸の回転に連動するピストン式過給装置が設けられているので、スワールを発生させる際には、吸入空気量をある程度確保することができる構成である。
【０００９】
しかし、このような内燃機関では、過給圧が内燃機関の回転数によって直接に左右されるので、スワールの発生能力が要求されるレベルに追いつかないことが考えられる。
【００１０】
また、内燃機関が低回転領域にあるときには、高スワールを生成し、かつ吸入空気量を増大させたい状況に対応することができない。したがって、低回転で高負荷の場合のスモーク改善等が難しくなる。
【００１１】
さらに、内燃機関の直接の出力の一部が過給のために消費されるので、スワール生成がされても内燃機関の出力低下を免れない場合がある。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決するためにされたものであり、スワールポートの空気流量を制御することで、所定の吸入空気量を確保しつつ、任意の強さのスワールを形成することができる内燃機関を提供することを技術的課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明は、スワールポートの過給圧を変化させることで、スワールを可変的に制御するものであり、以下のような構成を採用した。
【００１４】
すなわち、吸気の過給圧が可変である過給機を備え、気筒内に燃料を噴射する内燃機関において、
一の気筒に吸気弁を複数設け、これらの吸気弁により開閉される吸気通路を複数配置し、少なくとも一の吸気通路を低スワールポートを形成する吸気通路とし、他の吸気通路を前記過給機によって過給がされる高スワールポートを形成する吸気通路として、過給圧の調整によって吸入空気量及びスワールを制御することを特徴とする。
【００１５】
このようにすれば、高スワールを発生させる際にも、充分な空気量を内燃機関に供給することができ、スワールの発生と吸入空気量の確保を両立することができる。
【００１６】
前記低スワールポートは自然空気通路とすることができる。
【００１７】
また、複数の吸気通路について吸気弁の開時期は同一であり、燃焼室内の圧力が所定の圧力まで上昇したら低スワールポート側の吸気弁のみを閉じるように制御することで、筒内から低スワールポートへの吸気の逆流を防止することができる。このようにすることで、圧力の上昇した筒内の空気が低スワールポートの逆流することを防止することができる。
【００１８】
前記過給機としては、可変ターボ、可変ノズルターボ、スーパーチャージャ等が使用できるが、これらに限られず過給圧を変化させることができるものであればよい。
【００１９】
本発明によれば、過給圧の調整が可能な過給機によって高スワールポートを過給することで、吸入空気量を減らすことなく、任意のスワールの生成が可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の吸入空気量制御装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の吸入空気量制御装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、可変ノズル型ターボチャージャ１５が併設された直噴式ディーゼルエンジンである。
【００２２】
内燃機関１は、１番気筒（＃１）から４番気筒（＃４）までの４つの気筒を備えている。内燃機関１は、その噴孔が各気筒の燃焼室に臨むように取り付けられた燃料噴射弁３を備えている。
【００２３】
各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と連通し、コモンレール４は、燃料通路５を介して燃料ポンプ６と連通している。そして、コモンレール４は、燃料ポンプ６から圧送されてくる燃料を一旦貯留して所定の圧力まで蓄圧し、蓄圧された所定圧の燃料を各燃料噴射弁３に分配する。このコモンレール４には、このコモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００２４】
また、内燃機関１には、吸気枝管８が接続され、吸気枝管８の各枝管がそれぞれ各気筒２の燃焼室に連通している。前記吸気枝管８は、吸気管９を介してエアクリーナボックス１１に接続されている。
【００２５】
エアクリーナボックス１１より下流の吸気管９には、可変ノズル型ターボチャージャ１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられている。さらに、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管３にはインタークーラ１６が配置され、インタークーラ１６の下流の吸気管９には吸気絞り弁（スロットル弁）１３が設けられている。
【００２６】
一方、内燃機関１の排気ポート側には、排気枝管８が接続され、この排気枝管８の各枝管がそれぞれ各気筒２の燃焼室に連通している。排気枝管８は、可変ノズル型ターボチャージャ１５のタービンハウジング１５ｂを介して排気管１９と連通し、排気管１９は、図示しないマフラーへ接続されている。排気管１９の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化触媒２０が設けられ、この排気浄化触媒２０の上流には、排気温度センサ２４が配設されている。
【００２７】
また、図２に示すように、燃焼室内にスワールを発生させるために、インテークポートを二つ有し、これらはそれぞれ、自然吸気の低スワールポート５１、及び高スワールポート５２であり、後者は可変ノズル型ターボチャージャのコンプレッサハウジング１５ａに接続されている。
【００２８】
スワールを発生させるには、可変ノズル型ターボチャージャ１５を作動させ、高スワールポート５２の吸気を過給して空気流量を増大させて高流速にする。そして、スワールを発生させる際には、運転状況にしたがって過給圧を変化させて要求されるスワールを発生させる。このとき、低スワールポート５１は通常通り、自然吸気により空気が流通するので、全体の空気量を充分に確保しながらスワールを発生させることができる。
【００２９】
このように構成された内燃機関１では、吸入された新気がエアクリーナボックス１１で埃や塵等を取り除かれてコンプレッサハウジング１５ａに導入され、コンプレッサハウジング１５ａで圧縮された後にインタークーラ１６で冷却され、次いで吸気枝管８を介して各気筒２の燃焼室に供給される。
【００３０】
各気筒２の燃焼室に供給された新気は、圧縮行程において圧縮され、圧縮行程後半に燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼及び爆発し、その燃焼力及び爆発力によって図示しないピストンを下降させ、機関出力軸（クランクシャフト）を回転させる。
【００３１】
各気筒２の燃焼室で燃焼及び爆発した既燃ガスは、排気行程において燃焼室から排気枝管１８へ排出される。排気枝管１８に排出された既燃ガス（排気）は、排気枝管１８からタービンハウジング１５ｂに流れ込み、タービンハウジング１５ｂ内のタービンホイールを回転させた後に排気管１９へ排出される。この際には、タービンハウジング１５ｂ中のタービンが回転に連動して、コンプレッサハウジング１５ａ中のコンプレッサホイールが回転し、吸気の過給がされる。
【００３２】
次いで、排気浄化触媒２０にて排気中の有害ガス成分を浄化された後に大気中に放出される。
【００３３】
続いて、内燃機関１には、本発明にかかる排気再循環手段としての排気再循環（ＥＧＲ）機構が併設されている。このＥＧＲ機構は、４番気筒（＃４）の図示しない排気ポートと吸気枝管８とを連通させる排気再循環通路２５、及び排気再循環通路２５内の排気流量を調節する流量制御弁（ＥＧＲ弁）２６から構成されている。ＥＧＲ弁２６は、ステッパモータ等の電気式アクチュエータ、あるいは負圧の度合いによって可動するダイヤフラムを備えた負圧式のアクチュエータ等によって駆動される。
【００３４】
このように構成されたＥＧＲ機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、４番気筒（＃４）から排出された排気の一部が排気再循環通路２５を経て吸気枝管８へ流れ、吸気系の上流から流れてきた新気とともに各気筒２の燃焼室に供給される。このとき、燃焼室内の新気の量は、吸気系に再循環された排気（ＥＧＲガス）の分だけ減少する。そして、ＥＧＲ弁２６の開度量を制御してＥＧＲガス量を調節することにより、燃焼室内に供給される新気の量を調節することができる。また、上記した排気の再循環を実行することにより、燃焼室内に排気中の不活性ガス成分が供給されることになるため、混合気の燃焼温度を低下させ、ＮＯＸ等の排出量を低減させることも可能となる。
【００３５】
さらに、内燃機関１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ３３と、機関冷却水の温度に対応した電気信号を出力する水温センサ３３とが取り付けられている。
【００３６】
内燃機関１を搭載する車両には、アクセルペダルの踏み込み量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ３６が取り付けられている。これらクランクポジションセンサ３３、水温センサ２１、アクセル開度センサ２３、コモンレール圧センサ４ａ等の各種センサ類は、それぞれ電気配線を介して機関制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３５に接続されている。
【００３７】
ＥＣＵ３５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を双方向性バスで相互に接続して構成され、ＥＣＵ３５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポートと、出力ポートとが、双方向性バスにより接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３８】
ＥＣＵ４０は、各種センサの検出信号を入力ポートを介して入力し、これらの信号に基づいてＣＰＵにおいて、ＲＯＭに記憶されているプログラムから、内燃機関１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、内燃機関１の運転状態に応じた各種制御を実行する。また、前記各種センサの出力信号をパラメータとして内燃機関１の運転状態等を判定し、判定された機関運転状態に応じて燃料噴射弁３、燃料ポンプ６、ＥＧＲ弁２６、ベーンノズルを作動させるためのＶＮＴアクチュエータ等を制御する。
【００３９】
さらに、上述した可変ノズル型ターボチャージャ１５のベーンノズルの開閉を制御し、高スワールポート５２の空気流量を制御するＥＣＵ３５は、スワール制御手段の一部を構成するものであり、スワール制御は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ３５を含め、前記可変ノズル型ターボチャージャ１５、低スワールポート５１の第１吸気弁５３、及び高スワールポート５２の第２吸気弁５４等の各種部材を通じて実施される。
【００４０】
この内燃機関では、上述のように可変ノズル型ターボチャージャ１５を設けて、これによって高スワールポート５２に吸気を過給してスワールを発生させるものである。以下、これらの機構について説明する。
【００４１】
可変ノズル型ターボチャージャ１５は、図示しない可変ノズル機構を備えているが、これらの構造は周知のものであるので、詳細な説明は省略して概略を述べる。
【００４２】
可変ノズル型ターボチャージャは、所定の駆動機構によってノズルベーンの回動方向と回動量とを調節することにより、ノズルベーン間の流路の向き、及びノズルベーン間の隙間を変更することが可能となっている。したがって、ノズルベーンの回動方向と回動量とを制御することにより、スクロール通路からタービンホイールに吹き付けられる排気の方向と流速が調節される。
【００４３】
例えば、内燃機関１からの排気の量が少ない場合は、可変ノズル機構のノズルベーンを閉じるべく駆動機構を動作させることにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が高まるとともに、排気とタービンインペラとの衝突角度がより垂直に近づくため、少ない排気量でもタービンホイールの回転速度及び回転力を高めることが可能となる。
【００４４】
逆に、内燃機関１からの排気の量が充分に多い場合は、可変ノズル機構のノズルベーンを開くべく駆動機構を動作させることにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速の過剰な上昇が抑制され、タービンホイールの回転速度及び回転力の過剰な上昇を抑えることが可能となる。
【００４５】
上記のような可変ノズル型ターボチャージャ１５のコンプレッサハウジング１５ａは、高スワールポート５２に接続されているので、過給された吸入空気が高スワールポート５２を通過して燃焼室内に流れ込む際、その流速に基づいて任意のスワールを発生させることになる。
（実施の形態１）
次に、上記のような可変ノズル型ターボチャージャ１５を備えた本発明の内燃機関１によるスワール制御について述べる。
【００４６】
この制御では、最初に、運転状況に基づいて、高スワール要求領域であるか否かを判断する。これは、スモークが発生し易い状況であるか否かによって判断することができる。すなわち、高負荷であって燃料噴射量が多い状態であるとき等は、空燃比がリッチであって一般的にスモークが発生し易いので、これを抑制するために燃料と空気の混合の促進が必要となる高スワール要求領域である。
【００４７】
このような場合は、ＥＣＵ３５は、ＶＮＴアクチュエータを制御してノズルベーンを作動させて排気流量をコントロールする。このとき、ノズルベーンを閉じればタービンホイールの回転速度及び回転力が高くなるのに伴い、過給圧が高くなる。したがって、ノズルベーンが閉じられたときには高スワールポート５２の過給圧が上昇するので、高スワールが生成される。反対に、ノズルベーンが開かれたときには、低スワールが生成される。
【００４８】
上記の制御を図４のフローチャートに従って説明する。
【００４９】
このフローチャートを実行するルーチンは、予めＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００５０】
Ｓ１０１では、高スワールが要求されているか否かを判断する。スモークの改善等が必要であり、高スワール発生による燃料と空気の混合の促進が必要であるときは、高スワール要求があると判断してＳ１０２に進む。Ｓ１０２では、ノズルベーンが閉じられ、排気通路が狭くなるので過給圧が上昇する。
【００５１】
次に、Ｓ１０３に進み、このＳ１０３では高スワールが発生するとともに、過給によって高スワールポート５２を多量の空気が流通することになる。このようにして、高スワールの生成と吸入空気量の確保の双方が確保される。
【００５２】
一方、Ｓ１０１において高スワール要求がされていないと判断したときは、Ｓ１０４に進み、ノズルベーンが開かれる。この場合は、排気通路が広いので過給圧はあまり上昇しない。次に、Ｓ１０５に進み、低スワールが生成される。
【００５３】
この制御では、高スワールの要求時には、高スワールの生成と空気量増加の相乗効果によって、スモークの低減、トルクの上昇が得られる。このとき、吸入空気量の増大に伴ってＥＧＲガス量を増大させることで、排気中のＮＯｘ低減をも実現することができる。
【００５４】
なお、高スワールポート５２の過給圧でスワールの生成を制御するため、従来のように高スワール発生時に低スワールポート５１の空気の流れが絞られることはなくなる。したがって、低スワールポート５１は常に自然吸気状態となり、機関回転数、ポート流量係数に基づいて決定される空気量が流入するので空気量が低下することがない。
【００５５】
このように、従来のＳＣＶのようにスワール生成時に吸入空気量が減少することがなく、高スワールの生成と必要空気量の確保が両立できる。このため燃焼室内部の空気流動も活発化し、燃焼室内での空気利用率が向上する。
【００５６】
また、スワールの生成時には、過給したスワールを送り込めるため、空気密度が高くなり、エネルギの大きいスワールの生成が可能となるので空気と燃料の混合がさらに増進される利点がある。
【００５７】
さらに、高い過給圧が必要ない場合にはノズルベーンが開かれ、排圧が低くなって内燃機関のピストンの圧力損失が減るので燃費が向上する。
【００５８】
この実施の形態では、ノズルベーンは全開、全閉の状態のいずれかの切換で過給圧を制御する場合について述べたが、ノズルベーンは開閉の中間位置で停止させ、開度を調整することで、より運転状態に即したスワールの生成を行うことができる。この場合は、吸入空気量、スワール比等をパラメータとして、これらが目標値になるようにコントロールすることが可能である。
（実施の形態２）
実施の形態１では、低スワールポート５１及び高スワールポート５２の吸気弁の開閉タイミングは同一としているが、この実施の形態２では、低スワールポート５１への吸気の逆流の発生を回避するため、両者の開閉タイミングを異なるものとした点において異なる。その他の構成は、実施の形態１と同一であるので、このような相違点のみを説明する。
【００５９】
高スワールが要求された場合、高スワールポート５２の過給圧を増大させるが、これに伴って筒内圧力が増大する。このとき、低スワールポート５１内の圧力よりも筒内圧力が高くなると、低スワールポート５１への吸気の逆流が生じることになる。
【００６０】
そこで、この実施の形態では吸気弁の開閉時期を変化させる機構（可変動弁機構）を採用して、逆流を回避している。具体的な制御は、次の通りである。
【００６１】
図３に示すように、低スワールポート５１の第１吸気弁５３と高スワールポート５２の第２吸気弁５４の開く時期は同一である。
【００６２】
次に、第１吸気弁５３と第２吸気弁５４が開いた後、筒内圧の上昇に伴って、第１吸気弁のみを閉じるようにする。したがって、これ以後は低スワールポート５１への吸気の逆流が防止される。
【００６３】
一方、高スワールポート５２は過給されているために吸気が妨げられることはなく、かえって低スワールポート５１が閉じられたことで吸気の導入が促進され、充分な空気を筒内に流入させることができる。
【００６４】
なお、第１吸気弁５３を閉じる時期は、吸入空気量、高スワールポート過給圧、機関回転数等で異なるので、最適な閉時期となるうようにこれを設定する。
【００６５】
第１吸気弁５３及び第２吸気弁５４の開閉時期をコントロールする可変動弁機構としては、電磁力を利用して駆動する電磁駆動式動弁機構、油圧を利用して駆動する油圧駆動式動弁機構、クランクシャフトの回転力を利用して開閉駆動するカムシャフトを備えた内燃機関においてクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変更する機械式可変動弁機構、等を例示することができる。
【００６６】
この実施の形態の内燃機関では、筒内圧が上昇して低スワールポート５１への吸気の逆流が生じるような状況になったときに、第１吸気弁５３が閉じられて逆流が防止される一方で、吸入空気量も確保できる利点がある。
（その他の実施の形態）
本発明の内燃機関では、高スワールポート５２を過給するために、ターボチャージャの替わりにスーパーチャージャを使用することで同様の過給効果を得ることができる。このようにすれば、回転、負荷等の条件に左右されず過給圧が設定できるため、容易に最適なスワール比、空気量を確保するような制御が可能である。
【００６７】
また、ガソリンエンジンについても同様のシステム及び制御でスワールコントロールをすることが可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の内燃機関によれば、スワールポートの空気流量を制御することで、吸入空気量を充分に確保しつつ、任意の強さのスワールを形成することができる。
【００６９】
したがって、混合気のミキシングの促進、空気量の確保がいつでも可能になり、排気エミッションの改善と機関出力確保が容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。
【図２】本発明の内燃機関における吸気ポートを示す図である。
【図３】可変動弁機構を使用して吸気弁が閉じる時期をコントロールする場合のタイムチャート図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるスワール制御の実行フローを示すフローチャート図である。
【図５】従来のＳＣＶにおいて、その閉じ度とスワール比、及び流量係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・燃料噴射弁
８・・・吸気枝管
９・・・吸気管
１５・・・可変ノズル型ターボチャージャ
１５ａ・・コンプレッサハウジング
１５ｂ・・タービンハウジング
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・排気浄化触媒
２５・・・排気再循環通路
２６・・・ＥＧＲ弁
３３・・・クランクポジションセンサ
３５・・・ＥＣＵ
５１・・・低スワールポート
５２・・・高スワールポート
５３・・・第１吸気弁
５４・・・第２吸気弁
【図１】
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【図２】
2004156567.tif 000004
【図３】
2004156567.tif 000005
【図４】
2004156567.tif 000006
【図５】
2004156567.tif 000007