(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも吸気弁の開弁時期を可変可能なカム位相可変機構を備え、高負荷時には均一燃焼に低負荷時には層状燃焼に運転状態が切換えられる内燃機関において、
上記カム位相可変機構を上記内燃機関が層状燃焼運転のときに低回転域にて最進角とし、機関回転速度の増加に伴って遅角側に変位させる制御手段を備えたことを特徴とするカム位相可変機構を備えた内燃機関。
【請求項２】
上記制御手段は、略同一の機関回転速度域内の均一燃焼時と層状燃焼時とで、上記カム位相可変機構の位相を略同一に制御することを特徴とする請求項１記載のカム位相可変機構を備えた内燃機関。
【請求項３】
上記制御手段は、上記内燃機関の始動時に上記カム位相可変機構を最進角とすることを特徴とする請求項１記載のカム位相可変機構を備えた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カム位相可変機構を備えた内燃機関（以下、エンジンという）に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
例えば、この種のエンジンではカム位相可変機構を吸気側のタイミングプーリに取り付けると共に、その内部のベーンロータをカムシャフトに連結し、油圧によりベーンロータを回動させることによってタイミングプーリに対するカムシャフトの位相を変化させ、もって吸気弁の開閉タイミングを制御している。位相制御の特性は、例えば図６のように目標平均有効圧Ｐe（エンジン負荷を表す）及びエンジン回転速度Ｎeに応じて設定され、アイドル運転を含む低負荷・低回転域では、ポンピングロスを低減して燃費節減を図るべく、位相を最遅角に制御して吸気弁と排気弁とのオーバラップを縮小し、又、運転者のアクセル踏み込みに伴って主にエンジン負荷が増加したときには、加速要求に応じたトルクを確保すべく、位相を進角側に制御してオーバラップを拡大している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したマップ特性に基づき、例えばアイドル運転から車両が発進する際には、アクセル踏み込みに伴うエンジン負荷の急増により、図中に矢印で示すように最遅角付近の位相を急激に進角させる必要が生じる。しかしながら、この種の位相制御ではベーンロータ等の重量物を回動させる原理上、例えば燃料噴射量や点火時期等の制御に比較して根本的に良好な応答性が期待できない上に、アイドル回転付近では動力源である油圧が低いことから、位相制御に遅れが生じてしまうという問題があった。尚、図６のマップ特性の他に、例えば特開平４−１８３９４５号公報のようにエンジン負荷の増加に応じて吸気側カムシャフトの位相を進角側から遅角側に切換える２段式のカム位相可変機構もあるが、位相制御の遅れについては全く解消されていない。
【０００４】
そこで、応答性改善のために、オイルポンプの容量を増大したりベーンロータの受圧面積を拡大したりする対策も考えられるが、コンパクト化が要求されるこの種の装置では限界があり、抜本的な対策が要望されていた。
本発明の目的は、制御遅れを解消して、応答性の良好な位相制御を実現することができるカム位相可変機構を備えた内燃機関を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、少なくとも吸気弁の開弁時期を可変可能なカム位相可変機構を制御手段により制御して、内燃機関が層状燃焼運転のときに低回転域にて最進角とし、機関回転速度の増加に伴って遅角側に変位させるようにした。
【０００６】
層状燃焼時の内燃機関はスロットルバルブ全開、又はＥＧＲを大量に導入するように制御されているため、吸気弁の開閉時期を遅らせるまでもなくポンピングロスは非常に小さく、カム位相可変機構の位相を最進角、つまりオーバラップ拡大側に設定することが可能となる。そして、加速時の内燃機関は、加速要求に応じて機関負荷は増加するものの機関回転速度は急激に増加しないため、カム位相可変機構の位相は最進角付近に保持され続け、このように位相が急変しないため、カム位相可変機構の位相制御に遅れを生じることがない。
【０００７】
又、請求項２の発明では、請求項１において、制御手段が、略同一の機関回転速度域内の均一燃焼時と層状燃焼時とで、カム位相可変機構の位相を略同一に制御するようにした。
従って、均一燃焼時と層状燃焼時とでカム位相可変機構の位相が略同一とされるため、燃焼状態の切換と同時にカム位相可変機構の位相が急変することがなく、ショックの発生が防止される。
【０００８】
更に、請求項３の発明では、請求項１において、制御手段が、内燃機関の始動時にカム位相可変機構を最進角とするようにした。
従って、層状燃焼運転は機関始動時にも実行され、このときカム位相可変機構が最進角に制御されるため、その後の車両発進に伴ってカム位相可変機構を進角側に変位させる際に位相を急変させる必要がなく、位相制御に遅れを生じることがない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したカム位相可変機構を備えたエンジンの一実施形態を説明する。
本実施形態のエンジンは、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。まず、図１の全体構成図に従ってエンジンの概要を説明すると、エンジン５１の燃焼室５２や吸気系等は筒内噴射専用に設計されており、そのシリンダヘッド５３には各気筒毎に点火プラグ５４が取り付けられると共に電磁式の燃料噴射弁５５が取り付けられて、図示しない燃料ポンプから供給された高圧燃料が燃料噴射弁５５より燃焼室５２内に直接噴射されるようになっている。
【００１０】
シリンダヘッド５３には吸気ポート５６が略直立方向に形成され、この吸気ポート５６には、スロットルバルブ５８や図示しないエアクリーナ等を備えた吸気通路５７が接続されている。吸気通路５７から取入れられた吸入空気はスロットルバルブ５８にて流量調整された後に、吸気側のカムシャフト５９にて開閉駆動される吸気弁６０を経て吸気ポート５６から燃焼室５２内に導入され、その吸入空気中に燃料噴射弁５５から燃料が噴射されて、点火プラグ５４の点火により燃焼する。
【００１１】
又、シリンダヘッド５３には排気ポート６１が略水平方向に形成され、この排気ポート６１には、図示しない触媒や消音器等を備えた排気通路６２が接続されている。燃焼後の排ガスは、排気側のカムシャフト６３にて開閉駆動される排気弁６４を経て燃焼室５２から排気ポート６１に排出され、更に排気通路６２から触媒や消音器を経て大気中に排出される。
【００１２】
カム位相可変機構Ｓは上記した吸気弁６０の開閉タイミングを調整するために備えられており、以下にその詳細を説明する。図２はカム位相可変機構を示す図３のII-II線断面、図３は同じくカム位相可変機構を示す断面図であり、吸気側のカムシャフト５９はシリンダヘッド５３の軸受部２に回転可能かつ軸方向に移動不能に支持されており、カムシャフト５９の回転に伴って吸気弁６０が開閉駆動される。カムシャフト５９の前端はシリンダヘッド５３から側方に突出してタイミングプーリ４のボス部４ａが回動可能に嵌め込まれ、このタイミングプーリ４はタイミングベルト５を介して図示しないクランクシャフトに連結されて、カムシャフト５９の軸線を中心として図３の矢印方向に１／２に減速されて回転駆動される。図示はしないがタイミングベルト５には排気側のタイミングプーリも連結されて、排気側のカムシャフト６３も回転駆動されるようになっている。尚、タイミングプーリ４のボス部４ａと軸受部２との間にはオイルシール６が嵌め込まれ、シリンダヘッド５３から外部へのオイルの流出を防止している。
【００１３】
タイミングプーリ４の一側面には、ハウジング７とフロントカバー８がボルト９により固定され、その内部にカムシャフト５９の軸心を中心とした略十字状の油圧室１０が形成されて、Oリング１１により油密を保持されている。油圧室１０内にはベーンロータ１２が配置され、その中心部はカムシャフト５９の前端に図示しないノックピンで位置決めされてカムボルト１４で固定されている。カムボルト１４の頭部１４ａはベーンロータ１２に形成された油分配室１５内に位置し、この分配室１５は前記フロントカバー８に螺合したプラグ１６により閉塞されている。
【００１４】
ベーンロータ１２は油圧室１０と対応する略十字状をなして、その９０度間隔の４つのベーン１２ａ間には、油圧室１０の固定摺接面１０ａに当接する円弧状の可動摺接面１２ｂが形成され、それぞれのベーン１２ａの先端にはオイルシール１８が設けられている。これらの摺接面１０ａ，１２ｂにより油圧室１０は各ベーン１２ａに対応して４つに区画され、各油圧室１０内においてベーン１２ａの両側には進角油圧室１７ａと遅角油圧室１７ｂが形成されている。
【００１５】
そして、ベーンロータ１２は、図３に実線で示すように各ベーン１２ａの遅角油圧室１７ｂ側を油圧室１０の他方の内壁に当接させて進角油圧室１７ａの容積を最大とする最進角位置と、仮想線で示すように各ベーン１２ａの進角油圧室１７ａ側を油圧室１０の内壁に当接させて遅角油圧室１７ｂの容積を最大とする最遅角位置との間で、カムシャフト５９の軸線を中心として回動し得る。その結果、タイミングプーリ４に対するカムシャフト５９の位相が変化して、吸気弁６０の開閉タイミングが変更される。
【００１６】
図３、及びそのIV-IV線断面図である図４に示すように、ベーンロータ１２の各ベーン１２ａには、その厚み方向（カムシャフト５９の軸線方向）にピン孔１９が貫設され、各ピン孔１９内にはロックピン２０が軸方向に摺動可能に嵌め込まれている。ロックピン２０の長さはベーンロータ１２の厚みとほぼ等しく設定され、ロックピン２０の先端（図４の下端）はテーパ状に面取り形成されている。タイミングプーリ４には、ベーンロータ１２が最進角位置にあるときに各ピン孔１９とそれぞれ対応するロック孔２１が形成され、各ロック孔２１はロックピン２０の先端と対応するテーパ状の断面形状をなしている。ロックピン２０はピン孔１９内で摺動して、図３に示すように先端をロック孔２１内に嵌入させてベーンロータ１２を最進角位置で回動規制するロック位置と、先端をロック孔２１内から離脱させてベーンロータ１２の回動を許容するロック解除位置との間で切換えられる。
【００１７】
ベーンロータ１２には、ピン孔１９内と進角油圧室１７ａ内とを連通させるロック油路２２ａ、及びピン孔１９内と遅角油圧室１７ｂ内とを連通させるロック解除油路２２ｂが形成され、後述するように進角油圧室１７ａ内の油圧が増加したときには、その油圧がロック油路２２ａを経てロックピン２１の基端側に作用してロック位置に切換え、又、遅角油圧室１７ｂ内の油圧が増加したときには、その油圧がロック解除油路２２ｂを経てロックピン２１の先端側に作用してロック解除位置に切換える。
【００１８】
一方、ベーンロータ１２には油分配室１５を中心として放射状に４本の遅角導入油路２３が形成され、各遅角導入油路２３の一端は油分配室１５内に開口し、他端はそれぞれ遅角油圧室１７ｂ内に開口している。油分配室１５は、カムボルト１４を貫通する貫通油路２４、貫通油路２４より連続する第一油路２５及び第二油路２６を介してカムシャフト５９の外周全周に形成されたオイル溝２７内に開口し、前記軸受部２に形成された遅角供給油路２８に対してカムシャフト５９の回転角度に拘わらず常に連通している。
【００１９】
又、ベーンロータ１２には放射状に４本の進角導入油路２９が形成され、各進角導入油路２９の一端は進角油圧室１７ａ内に開口している。各進角導入油路２９の他端はそれぞれ第三油路３０及び第四油路３１を介してカムシャフト５９のオイル溝３２内に開口し、軸受部２に形成された進角供給油路３３に対してカムシャフト５９の回転角度に拘わらず常に連通している。
【００２０】
図２に示すように、遅角供給油路２８及び進角供給油路３３には、オイルタンク３４内の作動油をオイルポンプ３５により圧送する圧送路３６とオイルタンク３４内に作動油を排出する排出路３７とが切換弁３８を介して接続され、切換弁３８の切換動作に応じて各供給油路２８，３３が圧送路３６及び排出路３７と交互に連通、或いは双方とも遮断される。
【００２１】
図１に示すように、車室内には図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）７１が設置されており、エンジン５１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ７１の入力側には、スロットルバルブ５８の開度θTHを検出するスロットルセンサ７２、所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ７３等の各種センサ類が接続されて、それらの検出情報が入力されるようになっている。又、ＥＣＵ２１の出力側には、前記した点火プラグ５４がイグナイタ７４及び点火コイル７５を介して接続されると共に、切換弁３８及び燃料噴射弁５５が接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ７１は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期、燃料噴射モード（後述するように、燃料噴射を行う行程を表す）、燃料噴射時間、カム位相可変機構Ｓの進角量等を決定し、点火プラグ５４、燃料噴射弁５５、切換弁３８を駆動制御する。
次に、以上のように構成されたエンジン５１において実施される燃料噴射制御、及びカム位相可変機構Ｓの位相制御を詳述する。
【００２３】
まず、燃料噴射制御について述べると、筒内噴射型エンジン５１では、吸気行程のみならず圧縮行程でも燃料噴射可能なことから、燃料噴射モードを圧縮行程に設定して、吸気ポート６から流入した逆タンブル流により点火プラグ３の周囲に理論空燃比近傍の混合気を確保した上で、全体として極めてリーンな空燃比（例えば、４０程度）で着火する層状燃焼を可能としている。この圧縮行程噴射では、大量の吸気導入によるポンピングロスの低減と相俟って燃料消費を大幅に低減可能であり、本実施形態のエンジン５１では、エンジン負荷を表す目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeが低い領域で層状燃焼を実行して燃費節減を図り（図５にハッチングで示す層状燃焼領域）、それ以上の領域では燃料噴射モードを吸気行程に設定して、通常の吸気管噴射型エンジンと同様に筒内に均一な混合気を形成する均一燃焼を実行し、ストイキオ付近からリッチ側の空燃比によってエンジントルクの確保を図る（図５の均一燃焼領域）。
【００２４】
尚、このときの燃料噴射モードの具体的な設定手順として、ＥＣＵ７１は、スロットルセンサ７２にて検出されたスロットル開度θTH、及びクランク角センサ７３からのクランク角信号より算出したエンジン回転速度Ｎeに基づいて上記した目標平均有効圧Ｐeを求め、その目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとから、予め設定されたマップに従って実行すべき燃料噴射モードを決定している。そして、決定した燃料噴射モードにおいて、目標平均有効圧Ｐe及びエンジン回転速度Ｎeより目標空燃比を求め、その目標空燃比から決定した燃料噴射時間に基づいて燃料噴射弁５５を制御する。
【００２５】
次いで、位相制御について述べるが、それに先立ってカム位相可変機構Ｓの基本的な作動状況を説明する。切換弁３８が図２に示す位置に切り換えられると、オイルポンプ３５からの作動油は進角供給油路３３、第四油路３１、第三油路３０及び進角導入油路２９を経て進角油圧室１７ａ内に導入され、その油圧を受けてベーンロータ１２が進角側に回動する。ベーンロータ１２が最進角位置に達した時点で、ロック油路２２ａを経た油圧によりロックピン２１がロック位置に切換えられてベーンロータ１２を回動規制する。
【００２６】
又、切換弁３８が図２とは逆位置に切り換えられると、作動油は遅角供給油路２８、第二油路２６、第一油路２５、貫通油路２４、油分配室１５及び遅角導入油路２３を経て遅角油圧室１７ｂ内に導入され、ロック解除油路２２ｂを経た油圧によりロックピン２１がロック解除位置に切換えられると共に、遅角油圧室１７ｂ内の油圧を受けてベーンロータ１２が遅角側に回動する。そして、所定位置に達したときに切換弁３８を中立に切り換えると、ベーンロータ１２の回動位置が保持される。
【００２７】
ＥＣＵ７１は図５のマップに従って目標平均有効圧Ｐe及びエンジン回転速度Ｎeからカム位相可変機構Ｓの進角量を決定し、その進角量に基づいて切換弁３８を駆動制御して上記のようにベーンロータ１２を回動させ、実際のカムシャフト５９の位相をマップから得た進角量に制御する。図から明らかなようにマップの特性は、アイドル運転を含む低負荷・低回転域では最進角位置に制御され、目標平均有効圧Ｐeの増減にほとんど関係なく、エンジン回転速度Ｎeの増加に従って遅角側に制御するように設定されている。このマップ特性は、以下の知見から設定されたものである。
【００２８】
図６に示す従来のマップにおいては、アイドル運転を含む低負荷・低回転域では位相を最遅角側に制御して吸気弁と排気弁とのオーバラップを縮小することで、ポンピングロスの低減による燃費節減を図っている。これは通常の吸気管噴射型エンジンによる均一燃焼を前提としたものであるが、本実施形態のエンジン５２は図５に示すように低負荷・低回転域で層状燃焼を行っている。そして、このときのエンジン５１は超リーン空燃比を実現するためにスロットルバルブ５８を全開しているため、既にポンピングロスは最小で、オーバラップの縮小による燃費節減の余地はほとんどなく、むしろオーバラップを拡大すれば、未燃ガスが吸気側に吹き返して再燃焼することから、ＨＣ（炭化水素）を低減できる状況もあり得る。つまり、層状燃焼ではオーバラップを縮小する必要はないとの判断の基に、上記のように低負荷・低回転域で位相を最進角位置に設定しており、必然的に図５のようにエンジン回転速度Ｎeの増加に従ってベーンロータ１２を遅角側に制御するようにマップ特性が設定されているのである。そして、このマップに従って位相制御が行われることにより、以下の利点が得られる。
【００２９】
まず、エンジン停止中において、カム位相可変機構Ｓのベーンロータ１２は最進角位置でロックピン２０により回動規制されており、この状態からエンジン５１が始動されて車両が発進すると、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeは図５の矢印のように推移する。このとき燃料噴射モードについては、加速要求の程度（エンジン負荷の大きさ）に応じて層状燃焼領域内に留まったり、或いは層状燃焼領域から均一燃焼領域に移行したりするが、カム位相可変機構Ｓの進角量については、始動から発進まで最進角位置が設定され続ける。
【００３０】
そして、設定された進角量を目標値として上記のようにベーンロータ１２の位相が制御されるのであるが、実際には最進角位置を保持するだけであるため、位相制御に遅れを生じることは一切なく、応答性の良好な位相制御を実現することができる。又、以上の説明は始動直後の発進を想定したものであるが、走行中の加速においても同様であり、加速要求に応じて目標平均有効圧Ｐeが増加してもマップに基づいてほぼ同一の進角量が設定されるため、位相制御に遅れを生じることなく良好な加速感を実現できる。
【００３１】
しかも、応答性の改善のためにオイルポンプ３５の容量を増大したりベーンロータ１２の受圧面積を拡大したりする必要がないため、カム位相可変機構Ｓの大型化、ひいてはエンジン５１の大型化を抑制することができる。
本実施形態のエンジン５１は、特に信号停止等でエンジン５１を自動的に停止・始動させるアイドルストップ車両に好適であり、このような車両では始動直後の発進が頻繁に行われるが、位相制御の遅れを生じることなく速やかな発進を実現することができる。又、エンジン回転速度Ｎeの変動が少ない無段変速機にも好適であり、より大きな効果を得ることができる。
【００３２】
加えて、上記のように加速に伴って燃料噴射モードが層状燃焼から均一燃焼に切換えられた場合でも、カム位相可変機構Ｓの位相は最進角位置に保持され続けて急変することはない。よって、燃料噴射モードの切換に位相制御の急変が重畳したときに生じる大きなショックを未然に防止して、良好な車室内環境を実現することができる。
【００３３】
尚、エンジン温度により層状燃焼が規制されているときには、従来のマップ（図６）を用いてもよい。上記のように始動時の開閉タイミングは最進角に固定されているが、始動後に遅角側に制御されればよい。このときの応答性は重要視されないのでドライバビリティに影響がない。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、吸気側のカムシャフト５９のみを位相制御したが、排気側のカムシャフト６３も同様に位相制御してもよい。又、上記実施形態のカム位相可変機構Ｓはベーン式を記載したが、ベーン式以外、例えばヘリカル式を適用してもよい。更に切換式の可変機構に適用してもよく、例えばカムシャフト５９に設けた特性の異なる複数のカムを、ロッカアーム等の切換機構を介して選択的に吸気弁６０に作用させることで、その開閉タイミングを制御するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明のカム位相可変機構を備えた内燃機関によれば、制御遅れを解消して、応答性の良好な位相制御を実現することができる。
又、請求項２の発明のカム位相可変機構を備えた内燃機関によれば、請求項１に加えて、燃焼状態の切換に位相制御の急変が重畳したときのショックを未然に防止して、良好な車室内環境を実現することができる。
【００３５】
更に、請求項３の発明のカム位相可変機構を備えた内燃機関によれば、請求項１に加えて、機関始動から直ちに発進する場合の制御遅れを解消して、速やかな発進を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のカム位相可変機構を備えたエンジンを示す全体構成図である。
【図２】カム位相可変機構を示す図３のII-II線断面である。
【図３】カム位相可変機構を示す断面図である。
【図４】カム位相可変機構を示す図３のIV-IV線断面図である
【図５】進角量を決定するためのマップを示す説明図である。
【図６】従来の進角量を決定するためのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
５１  内燃機関（エンジン）
６０  吸気弁
７１  ＥＣＵ（制御手段）
Ｓ    カム位相可変機構
【図１】
0003772949.tif 000002
【図２】
0003772949.tif 000003
【図３】
0003772949.tif 000004
【図４】
0003772949.tif 000005
【図５】
0003772949.tif 000006
【図６】
0003772949.tif 000007