(57)【要約】    【課題】  既燃ガスによる燃焼悪化を防止しつつタンブル流を生成して燃焼安定性を向上する。    【解決手段】  バルブオーバラップ期間中に上下に仕切られた上側ポート部４２に介装されたＴＣＶ（タンブルコントロールバルブ）４３を閉じ、下側ポート部４４へ既燃ガスの吹き返しを行わせ、バルブオーバラップ期間終了後、ＴＣＶ４３を開いて、上側ポート部４２から、新気をシリンダ６内に導き、下側ポート部４４から既燃ガスをシリンダ６内に導き、点火プラグ７には内側層のタンブル流となる新気のみが導かれ、外側層のタンブル流となる既燃ガスの点火プラグ７への接触は抑制されるので、燃焼安定性が向上する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートの一部に仕切り壁を設けて通路断面を分割し、該分割された一方のポート部を開閉自由な吸気流制御弁を配設し、シリンダ内に所定の吸気流を生成させる運転領域で、前記吸気流制御弁を、吸気バルブと排気バルブが共に開かれているバルブオーバラップ期間中は閉じ、該バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、開くように制御することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】
吸気ポートの一部に仕切り壁を設けて通路断面を分割し、該分割された両方のポート部をそれぞれ独立に開閉自由な２個の吸気流制御弁を配設し、シリンダ内に所定の吸気流を生成させる運転領域で、吸気バルブと排気バルブが共に開かれているバルブオーバラップ期間中は、前記２個の吸気流制御弁を閉じ、前記バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、少なくとも一方の吸気流制御弁を開くように制御することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項３】
前記バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、一方の吸気流制御弁のみを開くことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項４】
前記バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、前記所定の吸気流をより強く生成したい運転領域では一方の吸気流制御弁のみを開き、前記所定の吸気流を比較的弱く生成したい運転領域では両方の吸気流制御弁を開くことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項５】
前記所定の吸気流がタンブル流であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項６】
前記所定の吸気流を生成させる運転領域は、低中回転・低中負荷領域であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項７】
前記所定の吸気流を生成しない高回転・高負荷領域で、吸気流制御弁を全開とすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項８】
気筒毎に２つの吸気バルブを備え、前記仕切り壁は、前記２つの吸気バルブにいたる２本の分岐された吸気ポートの合流部における通路断面を上下に仕切るように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項９】
前記内燃機関が吸気バルブの開閉時期を可変制御する機構を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダ内の吸気流を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、気筒毎にプライマリとセカンダリの２個の吸気バルブと、これら吸気バルブで開閉される２本の吸気ポートを備えると共に、両吸気ポートを連通する内部ＥＧＲ通路と、前記セカンダリの吸気ポートにスワール制御弁を備えた吸気制御装置が開示されている。この装置では、２個の吸気バルブを独立に制御し、セカンダリ吸気ポートをプライマリ吸気ポートに対して早く開き、かつ早く閉じる。また、セカンダリ吸気弁の開時期と排気弁の閉時期とにより吸気弁と排気弁が共に開くバルブオーバーラップ期間を調整して内部ＥＧＲ量を調整し、スワール制御弁によりシリンダ内の吸気流動を強化してＥＧＲ時の燃焼悪化を抑制している。
【０００３】
また、特許文献２には、簡単な構成でＮＯｘの発生を十分に抑えることを目的として、吸気バルブの上流に吸気流制御弁を配設した吸気制御装置が開示されている。この装置では、吸気行程中に前記吸気流制御弁を吸気バルブより先に閉じることにより、吸気流制御弁と吸気バルブとの間に負圧を発生させ、排気行程終了直前に吸気流制御弁より先に吸気バルブを開くことで前記負圧によって既燃ガスを吸気通路に導くようにしており、吸気流制御弁の開閉時期を制御することにより内部ＥＧＲ量を制御し、ＮＯｘの生成を抑制している。
【特許文献１】特開平７−２２４６２６号公報      特開平７−１３３７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の装置では、２つの吸気ポートを連通する内部ＥＧＲ通路を設けているため吸気抵抗が大きく、また、セカンダリ吸気ポートがプライマリ吸気ポートに比較して通路断面積が小さいため、全開時の出力が低下するという問題があり、また、それぞれの吸気ポートの吸気バルブを独立して制御する構成であるため、構造が複雑となり、コスト、制御の面からも不利であった。
【０００５】
一方、特許文献２の装置では、吸気通路に既燃ガスを導いた後、シリンダに吸気するという構成になっていたため、バルブオーバーラップ期間が大きいなど、残留ガスが増えた場合の燃焼安定性を向上できないという問題があり、吸気流制御弁を、開時期を遅らせかつ、吸気バルブにできるだけ近い位置に配設することで上記問題を解消し得るが、吸気流制御弁と吸気バルブとの間の体積が小さくなり所定のＥＧＲ量の確保が難しくなるという新たな問題を生じる。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気バルブ等の構成や制御を複雑化することなく、シリンダ内の吸気流、内部ＥＧＲ量を適正に制御して良好な燃焼安定性を確保しつつ、ＮＯｘ等の排気エミッションも十分に低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、第１の発明では、吸気ポートの一部に仕切り壁を設けて通路断面を分割し、該分割された一方のポート部を開閉自由な吸気流制御弁を配設し、シリンダ内に所定の吸気流を生成させる運転領域で、前記吸気流制御弁を、吸気バルブと排気バルブが共に開かれているバルブオーバーラップ期間中は閉じ、該バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、開くように制御する構成とした。
【０００８】
また、第２の発明では、吸気ポートの一部に仕切り壁を設けて通路断面を分割し、該分割された両方のポート部をそれぞれ独立に開閉自由な２個の吸気流制御弁を配設し、シリンダ内に所定の吸気流を生成させる運転領域で、吸気バルブと排気バルブが共に開かれているバルブオーバーラップ期間中は、前記２個の吸気流制御弁を閉じ、前記バルブオーバーラップ期間後の吸気バルブ開期間中は、少なくとも一方の吸気流制御弁を開くように制御する構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
吸・排気弁の開オーバーラップ期間（以下バルブオーバーラップ期間という）が増大すると残留ガス量（内部ＥＧＲ量）が増加して燃焼安定性が悪化する。
第１の発明によれば、タンブル流などシリンダ内に所定の吸気流を生成させたい運転領域で、バルブオーバーラップ期間中に吸気流制御弁によって閉じられた一方のポート部側には排気（既燃ガス）の吹き返しが殆ど生じず、他方のポート側に排気が吹き返される。そして、前記バルブオーバーラップ期間終了後、排気の吹き返しが終了すると共に、吸気流制御弁が開かれるので、該吸気流制御弁で閉じられていた一方のポート部からは新気がシリンダ内に吸入され、排気が吹き返された他方のポート部からは該吹き返された排気がシリンダ内に残留ガスとして吸入される。このように、新気と既燃ガスとが、別々のポート部からシリンダ内に吸入されるので、これらのガス流動（例えばタンブル流）を層状に分離させることができ、新気のみを点火栓近傍に導いて燃焼安定性が向上する。また、残留ガス流が点火栓から遠ざかることで残留ガス量（内部ＥＧＲ量）をある程度まで増加させても安定した燃焼性を維持できるので、ＮＯｘ低減効果を高めることもできる。
【００１０】
また、第２の発明によれば、同じく所定の吸気流を生成させたい運転領域で、バルブオーバーラップ期間中は、２個の吸気流制御弁を共に閉じることで、排気の吹き返しを十分小さくすることができるので、シリンダ内に再吸入される残留ガス量が十分に減少し、バルブオーバーラップ期間を大きくしても安定した燃焼性を確保でき、燃焼安定限界を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明における一実施形態の概略システム構成を示したものである。内燃機関（以下、エンジン）１の吸気は、電子制御式のスロットルバルブ２を介してコレクタ３に入り、各気筒の吸気マニホールド４を経て気筒毎に２個ずつ設けられた吸気バルブ５からシリンダ内へ導かれる。
【００１２】
また、吸気マニホールド４の各吸気弁５に至る分岐ポートより上流側の合流部が、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、通路断面を仕切り壁４１によって上下に分割され、分割された上側ポート部４２には、該上側ポート部４２を開閉自由な吸気流制御弁としてのＴＣＶ（タンブルコントロールバルブ）４３が装着される。各ＴＣＶ４３は、共通の駆動軸をアクチュエータ１３によって回転することにより開閉駆動されるようになっている。一方、分割された下側ポート４４には、ＴＣＶは装着されず常開に維持される。シリンダ６の上面中心部には点火プラグ７が設けられている。そして、図示しないインジェクタから燃料が噴射され、シリンダ６内を往復するピストン８にて吸気と共に圧縮された後、点火プラグ７により着火燃焼せしめられる。
【００１３】
燃焼後のガスは排気バルブ９を開いて各気筒の排気マニホールド１０に排出される。各排気マニホールド１０は、上流端部で１本に合流し、該合流部１０ａと前記コレクタ３との間を接続するＥＧＲ通路１１が設けられ、該ＥＧＲ通路１１にＥＧＲ制御弁１２が介装されている。
また、前記吸気バルブ５は、図２（Ｃ）に示す可変バルブタイミング機構１４により、開閉時期を可変制御され、これにより、排気バルブ９とのバルブオーバーラップ期間が変化する。
【００１４】
エアフローメータ２１で計測された吸入空気流量Ｑａ、クランク角センサ２２で検出されたエンジン回転速度Ｎｅ、水温センサ２３で検出された冷却水温度Ｔｗ等の諸信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３１に送られ、ＥＣＵ３１はこれらを参照してスロットル開度、燃料噴射量、点火時期など基本的なエンジン制御を行うと共に、エンジン運転状態に応じて前記可変バルブタイミング機構１４を介して吸気バルブ５の開閉タイミング及び前記ＴＣＶ４３の制御を行う。
【００１５】
次に、本実施形態における吸気制御を、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、前記ＴＣＶ４３によりタンブル流を生成する領域と非生成領域を示す。図示のように、低中回転・低中負荷領域でタンブル流を生成して安定した燃焼性を確保する。
図４は、タンブル流生成領域での吸・排気弁の開閉タイミング及びＴＣＶ４３の開閉タイミングを示す。図示のように、バルブオーバーラップ期間では、ＴＣＶ４３が閉じられ、バルブオーバーラップ期間終了後の吸気バルブ５開期間では、ＴＣＶ４３が開かれる。
【００１６】
このようにすれば、バルブオーバーラップ期間中は、既燃ガスの吹き抜けは、ＴＣＶ４３が閉じられた上側ポート部４２では抑制され、殆どが常開の下側ポート部４４で行われる[図２（Ｃ）の一点鎖線矢印参照]。上側ポート部４２内のＴＣＶ４３手前までには既燃ガスが吹き抜けしうるが、ＴＣＶ４３手前部分に溜まっている新気を押しのけて交換する既燃ガス量は十分小さく、常開で大きな吸気負圧を生じている下側ポート部４４の方へ殆どの既燃ガスが吹き抜けられるためである。
【００１７】
そして、バルブオーバーラップ期間終了後に、ＴＣＶ４３が開かれると、既燃ガスの吹き抜けが抑制された上側ポート部４２からは、新気がシリンダ６内に導かれ、既燃ガスの吹き抜けを生じた下側ポート部４４からは、既燃ガスがシリンダ６内に導かれる[図２（Ｃ）の実線矢印参照]。
このように、新気と既燃ガスとが分離した層状のタンブル流となってシリンダ内に導かれ、点火プラグ７には内側層のタンブル流となる新気のみが導かれ、外側層のタンブル流となる既燃ガスの点火プラグ７への接触は抑制されるので、燃焼安定性が向上する。特に、本実施形態のように可変バルブタイミング機構１４を備えた場合には、低回転域で吸気バルブ５の閉時期を進角させて吸気下死点に近づけることで体積効率を向上できるが、そうするとバルブオーバーラップ期間が増大して残留ガス量が過剰となって従来では燃焼安定性が問題となることがあったが、上記実施形態ではバルブオーバーラップ期間が増大しても、上記のように既燃ガス流と点火プラグ７との接触を抑制して燃焼安定性を確保できアイドル回転速度の低下、エンストを確実に防止できる。また、この結果、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を、ある程度まで増加できることで、ＮＯｘ低減の向上も図れる。
【００１８】
一方、図３で示した高回転・高負荷のタンブル流非生成領域（タンブルが弱められる領域を含む）では、ＴＣＶ４３が常に開かれ、吸気抵抗をできるだけ小さくすることで高出力性能を確保することができる。
次に、第２の実施形態について図５を参照して説明する。第１の実施形態と相違するのは、図５（Ｂ）に示すように、下側ポート部４４にもＴＣＶ４５（以下第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５という）を設け、第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５を、運転状態に応じて制御することである。
【００１９】
基本的な制御形態としては、図３に示したＴＣＶ作動領域では、バルブオーバーラップ期間中は、第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５共に閉、バルブオーバーラップ期間終了後、第１ＴＣＶ４３を開き、第２ＴＣＶ４５を閉に維持する[図５（Ｃ）で、一点鎖線はバルブオーバーラップ期間中、実線はバルブオーバーラップ期間終了後を示す]。
このようにすれば、バルブオーバーラップ期間中の既燃ガスの吹き抜けを極力抑制しつつ、バルブオーバーラップ期間終了後は、第１ＴＣＶ４３のみを開いて上側ポート部４２から新気の強いタンブル流を生成することができ、燃焼安定性を十分に向上することができる。
【００２０】
高回転・高負荷領域では、第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５共に常時開いて高出力性能を確保することは同様である。
ＴＣＶ生成領域での別の制御形態としては、バルブオーバーラップ期間終了後、第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５共に開くようにすることもできる。この場合、上記基本的な制御形態に比較してタンブル流は弱められるが、吸気抵抗を小さくできるので弱いタンブル流で十分な場合、あるいはポート形状のみで十分な強さのタンブル流を生成できるような場合は、このようにすることで燃費を向上できる。
【００２１】
また、低回転・低負荷領域で上記基本的な制御形態とし、中回転・中負荷領域で本制御形態に切り換えるようにして、運転状態に応じて適度な強さのタンブル流を生成するようにしてもよい。
さらに、ＮＯｘ低減要求が大きい領域では、バルブオーバーラップ期間中に第１ＴＣＶ４３は閉、第２ＴＣＶ４５は開とし、バルブオーバーラップ期間終了後に第１ＴＣＶ４３、第２ＴＣＶ４５共に開とすれば、第１の実施形態と略同様となり、既述したように残留ガス量（内部ＥＧＲ量）をある程度確保して、ＮＯｘ低減の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態のシステム構成図
【図２】（Ａ）は第１実施形態の要部平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ−断面図、（Ｃ）は縦断面図
【図３】第１実施形態のＴＣＶの作動領域と非作動領域とを示す図
【図４】第１実施形態の吸・排気弁の開閉タイミングとＴＣＶの開閉タイミングを示す図
【図５】（Ａ）は第２実施形態の要部平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ−断面図、（Ｃ）は縦断面図
【符号の説明】
【００２３】
１    エンジン
４    吸気マニホールド
５    吸気バルブ
６    シリンダ
７    点火プラグ
９    排気バルブ
１４    可変バルブタイミング機構
２１    エアフローメータ
２２    クランク角センサ
２３    水温センサ
３１    エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
４１    仕切り壁
４２    上側ポート部
４３    （第１）タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）
４４    下側ポート部
４５    第２ＴＣＶ
【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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