(57)【要約】【課題】燃焼室の形状に影響を与えることなく、掃気性を改善しうる新規な手段を提供する。【解決手段】排気ポート４の上面側の流体抵抗を制御可能な排気制御弁２０を備える。燃焼室８上面を経由した吹き抜けの流れｆ１に対し、排気制御弁２０が抵抗として作用し、これによって吹き抜けの抑制を図ることができる。排気制御弁２０は排気ポート４内に設置されているため、燃焼室の形状や構造によって吹き抜けを抑制する場合に比べて、燃焼室形状に与える影響を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダおよびピストンと協働して燃焼室を画成するキャビティを有し、前記キャビティには、吸気ポートと排気ポートとが、それらの開口部の上端同士が互いに近接するように形成された内燃機関であって、
前記排気ポートの上面側の流体抵抗を制御可能な排気制御弁と、
当該排気制御弁を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記制御手段は、前記排気制御弁を吸入空気量に応じて制御することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関であって、
前記排気ポートを開閉する排気弁のリフト量を変更する手段を更に備え、
前記制御手段は、前記排気制御弁を前記排気弁のリフト量に応じて制御することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気弁および排気弁を有する内燃機関に関し、特に掃気性の改善が考慮されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の動弁制御においては、排気弁が閉じる前に吸気弁を開いて吸気を開始することで、いわゆる開弁時期のオーバーラップ期間を生じさせ、このオーバーラップ期間において、吸気弁を介して燃焼室に吸入された吸気を利用して、燃焼室内の残留ガスの掃気を促進する構成が知られている。この構成は、とくに過給圧の高い過給機つきの内燃機関において有用とされている。
【０００３】
このような構成の内燃機関において、燃焼室の上面付近、つまり吸気弁と排気弁とが互いに近接する領域においては、吸気弁の開口隙間から流入した混合気または空気のいわゆる吹き抜け（掃気に寄与することなく燃焼室の上面付近を経由して排気弁から排出されてしまう現象）が問題となりうる。
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、この吹き抜けの問題に対処して掃気性を改善するために、ペントルーフ形状の燃焼室の吸気弁側および排気弁側の斜面の間に形成される稜線を、排気弁側により近い位置に偏向させている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１２３２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃焼室の形状は、出力性能、燃費および熱効率等にきわめて大きな影響を与えるものであり、掃気性を改善するために燃焼室の形状を変更するのでは、他の要素に悪影響を与えるおそれがある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、燃焼室の形状に影響を与えることなく、掃気性を改善しうる新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明は、シリンダおよびピストンと協働して燃焼室を画成するキャビティを有し、前記キャビティには、吸気ポートと排気ポートとが、それらの開口部の上端同士が互いに近接するように形成された内燃機関であって、前記排気ポートの上面側の流体抵抗を制御可能な排気制御弁と、当該排気制御弁を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関である。
【０００９】
第１の本発明では、排気ポートの上面側の流体抵抗を制御可能な排気制御弁を備えたので、燃焼室上面を経由した吹き抜けの流れに対し、排気制御弁が抵抗として作用し、これによって吹き抜けの抑制を図ることができる。この排気制御弁は排気ポート内に設置されているため、燃焼室形状に与える影響を抑制することができる。また排気制御弁を制御手段によって制御することとしたので、車両の状態に応じて排気制御弁の作用を加減調整することが可能になる。
【００１０】
本発明者らの実験によれば、図４に示されるように、排気制御弁の開度を０〜９０°に漸増させた場合には、燃焼室内の残留ガス量はある臨界角度θ’，θ”までは漸減するが、この臨界角度θ’，θ”より開度が大きい領域では逆に漸増する。これは、排気ポート全体としての排気抵抗が大きくなるためと考えられる。したがって、排気制御弁の開度はこれを臨界角度（燃焼室内の残留ガス量が最小となるような開度）に制御するのが特に好適である。
【００１１】
燃焼室における残留ガス量は、吸入空気量に影響される。すなわち、上記実験によれば、臨界角度θ’，θ”は吸入空気量によっても相違する。したがって、第２の本発明のように排気制御弁を吸入空気量に応じて制御することとすれば、簡易な構成によって排気制御弁の作用を適正化することができる。
【００１２】
また、排気弁のリフト量を変更する手段を備えた内燃機関では、燃焼室における残留ガス量は排気弁のリフト量に影響される。第３の本発明のように排気制御弁を排気弁のリフト量に応じて制御することとすれば、簡易な構成によって排気制御弁の作用を適正化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、いわゆる筒内直噴式のレシプロ４サイクル内燃機関であり、図示しない過給機を備えている。内燃機関１のシリンダヘッドにはキャビティ２が形成され、キャビティ２には吸気ポート３と排気ポート４とが形成されている。吸気ポート３と排気ポート４とは、キャビティ２におけるそれらの開口部の上端同士が、キャビティ２の頂面において互いに近接している。キャビティ２の頂面の概ね中央には、燃料噴射弁５がセットされている。キャビティ２は、シリンダ６およびピストン７と協働して燃焼室８を画成している。燃料噴射弁５には、いずれも図示しない燃料タンクおよび燃料ポンプが接続されており、加圧された燃料が燃料噴射弁５へ供給可能とされている。燃料噴射弁５を燃焼室８の側縁近傍ではなく燃焼室８の頂面に設けることは、噴射時期の自由度の促進、およびシリンダ６への燃料付着の抑制によるオイル希釈の抑制を期待できる点で有利である。
【００１５】
吸気ポート３を開閉する吸気弁１３、および排気ポート４を開閉する排気弁１４は、動弁機構１５，１６に連結されている。動弁機構１５，１６は、吸気弁１３および排気弁１４を任意のタイミングで、且つ任意のリフト量で開閉可能である。このような動弁機構１５，１６としては、クランク軸からの動力および油圧力で動作する機械式のものや、ソレノイドによって動作する電磁式のものなど、従来公知の各種の構成のものを採用できる。
【００１６】
排気ポート４の上面側（すなわち、燃焼室８の頂面と同じ側であって、ピストン７から遠い側）には、排気制御弁２０が、その上端部を中心に旋回可能に設置されている。排気制御弁２０は板状であり、排気ポートの断面形状に適合する輪郭とされていても良く、平面のほか曲面その他各種の形状および構造を採用できる。排気制御弁２０はアクチュエータ２１によって駆動される。アクチュエータ２１は排気制御弁２０の旋回角度を多段階または無段階で変更しうるものが好適であり、ステップモータを用いることができる。
【００１７】
電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各制御変数の初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。
【００１８】
ＥＣＵ３０には、吸気経路中に設置されたエアフローメータ４１と、クランクシャフト（不図示）の一部に対向して設けられたクランク角センサ４２と、スロットルバルブアクチュエータ（不図示）と同軸に設けられたスロットルセンサ４３と、運転者によって操作されるアクセルペダル（不図示）に関連して設けられたアクセル開度センサ４４と、シリンダ６に設置され冷却水温を検出する水温センサ４５と、同じくシリンダ６に設置されノック打音を検出するノックセンサ４６とを含む各種センサ類が、Ａ／Ｄ変換器および入力ポートを介して接続されており、これらセンサ類からの各出力信号が入力される。
【００１９】
ＥＣＵ３０からの制御信号によって、前述の燃料噴射弁５、動弁機構１５，１６、アクチュエータ２１等が制御されるようになっており、点火プラグ（不図示）の放電時期も決定されるようになっている。
【００２０】
ＥＣＵ３０のＲＯＭには、吸入空気量、排気弁のリフト量、および排気制御弁２０の開度を互いに関連付けて記憶させた排気制御弁開度マップが格納されている。同マップにおける各パラメータの相互関係は概ね図２に示されるとおりであり、排気制御弁２０の開度θは、概ね９０°を最大として、吸入空気量が大きいときほど、また排気弁のリフト量が大きいときほど、漸増するように設定されている。
【００２１】
またＥＣＵ３０のＲＯＭには、本発明に係る排気制御弁２０の制御と並行して、これとは別途のバルブタイミング・リフト量制御（ＶＶＴＬ；Variable Valve Timing and Lift）を行うための制御プログラムが格納されている。同プログラムでは、クランク角センサ４２の検出値から算出される内燃機関回転数に応じて、高回転域で吸気弁１３および排気弁１４のリフト量を拡大するように、動弁機構１５，１６が制御される。
【００２２】
以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。図３において、まずＥＣＵ３０は、エアフローメータ４１およびクランク角センサ４２などの各種センサ類の検出値を読み込む（Ｓ１０）。
【００２３】
次にＥＣＵ３０は、読み込んだ各種センサ類の検出値に基づいて所定の演算を行うことにより、排気制御弁２０の目標開度θを算出する(Ｓ２０)。この演算は、上述したバルブタイミング・リフト量制御の過程で算出される排気弁１４のリフト量と、エアフローメータ４１によって検出される吸入空気量とにより、上述した排気制御弁開度マップを参照することによって行われる。
【００２４】
そしてＥＣＵ３０は、算出された目標開度θと、排気制御弁２０の実際の開度とが一致するように、アクチュエータ２１に対して制御出力を行う（Ｓ３０）。
【００２５】
以上の処理の結果、排気制御弁２０は目標開度θに一致するように制御され、排気制御弁２０の作用によって排気ポート４の上部側の排気流が抑制される。その結果、燃焼室８の上面側、すなわち吸気ポート３と排気ポート４とを結ぶ距離の最も短い経路を中心とした所定領域内では、流路の前後に亘る全体として、流体抵抗が増大されることになる。
【００２６】
以上のとおり、本実施形態では、排気ポート４の上面側の流体抵抗を制御可能な排気制御弁２０を備えたので、燃焼室８上面を経由した吹き抜けの流れｆ１（図１参照）に対し、排気制御弁２０が抵抗として作用し、これによって燃焼室８の下側の流れｆ２が促進されて、吹き抜けの抑制を図ることができる。
【００２７】
また、この排気制御弁２０は燃焼室８の外である排気ポート４内に設置されているため、燃焼室の形状や構造によって吹き抜けを抑制する場合に比べて、燃焼室形状に与える影響を抑制することができる。
【００２８】
また、排気制御弁２０をＥＣＵ３０によって制御することとしたので、車両の状態に応じて排気制御弁２０の作用を加減調整することが可能になる。
【００２９】
また、燃焼室８における残留ガス量は吸入空気量に影響されるので、本実施形態のように排気制御弁２０を吸入空気量に応じて制御することとした結果、簡易な構成によって排気制御弁２０の作用を適正化することができる。
【００３０】
また、排気弁のリフト量を変更する手段を備えた内燃機関では、燃焼室における残留ガス量は排気弁のリフト量に影響されるので、本実施形態において排気制御弁２０を排気弁１４のリフト量に応じて制御することとした結果、簡易な構成によって排気制御弁２０の作用を適正化することができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では、吸入空気量と排気弁１４のリフト量とに基づいて排気制御弁２０の開度を制御することとしたが、例えばスロットルセンサ４３によって検出されるスロットル開度、アクセル開度センサ４４によって検出されるアクセル開度、水温センサ４５によって検出される冷却水温など、排気制御弁２０を制御するために、車両の状態を示す他のパラメータを考慮することとしてもよい。
【００３２】
また上記実施形態では、吸入空気量と排気弁１４のリフト量との両者に基づいて排気制御弁２０の開度を制御することとしたが、排気制御弁２０を制御するために用いられるパラメータは吸入空気量と排気弁１４のリフト量とのうちの一方であってもよく、また、両者のうちの一方と、これら以外のパラメータとの組合せであってもよい。
【００３３】
図４に示される上記実験では、吸入空気量が小さい場合の臨界角度θ”は、吸入空気量が大きい場合の臨界角度θ’よりも小さくなることが判明している。したがって、吸入空気量のみを用いて、あるいは吸入空気量のみを主たるパラメータとして用いて排気制御弁２０を制御する場合には、例えば図５に示されるように、吸入空気量を様々に変化させた場合の臨界角度を実験あるいはシミュレーションによって求め、これと同様の関係を示す制御マップ（吸入空気量−開度マップ）をＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させ、当該マップを吸入空気量によって参照することによって、排気制御弁２０の目標開度を算出することができる。
【００３４】
また、本発明者らによる別の実験では、図６に示されるように、排気弁のリフト量が大きい場合の臨界角度は、リフト量が小さい場合の臨界角度よりも大きくなることが判明している。したがって、排気弁１４のリフト量のみを用いて、あるいはリフト量のみを主たるパラメータとして用いて排気制御弁２０を制御する場合には、図６に示される臨界角度とリフト量との関係を実験あるいはシミュレーションによって求め、これと同様の関係を示す制御マップ（吸入空気量−開度マップ）をＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させ、当該マップを吸入空気量によって参照することによって、排気制御弁２０の目標開度を算出することができる。
【００３５】
また、上記実施形態では、燃焼室８内の残留ガス割合が最小となるように、排気制御弁２０を制御することとしたが、逆に残留ガス割合を高めることで自着火を促進する場合には、これを考慮して車両の運転状態に応じて排気制御弁２０を制御してもよい。すなわち、本実施形態における排気制御弁２０は、残留ガスの低減以外の目的にも広く適用することができる。
【００３６】
また、上記実施形態ではガソリン内燃機関に本発明を適用したが、本発明はディーゼル内燃機関や気体燃料内燃機関などの他の形式の内燃機関にも適用することが可能である。また本発明は筒内直噴式のほかポート噴射式の燃料噴射式内燃機関にも適用でき、さらにはキャブレタ式や自然吸気式の内燃機関にも適用することが可能であり、かかる態様も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】排気制御弁開度マップの一例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態における制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】排気制御弁の開度と残留ガスの割合との関係を示すグラフである。
【図５】吸入空気量−開度マップの一例を示すグラフである。
【図６】リフト量−開度マップの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１        内燃機関
２        キャビティ
３        吸気ポート
４        排気ポート
５        燃料噴射弁
６        シリンダ
７        ピストン
８        燃焼室
１５，１６        動弁機構
２０        排気制御弁
２１        アクチュエータ
【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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