JP4258089B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車などに搭載される内燃機関に関し、特に電磁力を利用して排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車などに搭載される内燃機関では、吸排気弁の開閉駆動に起因した機械損失の防止、吸気のポンピング損失の防止、正味熱効率の向上等を目的として、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを任意に変更可能な動弁機構の開発が進められている。
【０００３】
上記した動弁機構としては、例えば、磁性体からなり吸気排気弁に連動して進退動作するアーマチャと、励磁電流が印加されたときに前記アーマチャを閉弁方向へ吸引する閉弁用電磁石と、励磁電流が印加されたときに前記アーマチャを開弁方向へ吸引する開弁用電磁石と、前記アーマチャを閉弁方向へ付勢する閉弁側戻しばねと、前記アーマチャを開弁方向へ付勢する開弁側戻しばねとを備えた電磁駆動式の動弁機構が知られている。
【０００４】
このような電磁駆動式動弁機構によれば、従来の動弁機構のように機関出力軸（クランクシャフト）の回転力を利用して吸排気弁を開閉駆動する必要がないため、機関出力軸による吸排気弁の駆動に起因した機関出力の損失が防止される。
【０００５】
更に、上記したような電磁駆動式動弁機構によれば、従来の動弁機構のように機関出力軸の回転と連動して吸排気弁を開閉駆動する必要がなく、開弁用電磁石と閉弁用電磁石に対する励磁電流の印加タイミングを変更することによって吸排気弁を任意の時期に開閉させることが可能となるため、吸気絞り弁（スロットル弁）を用いることなく各気筒の吸入空気量を制御することが可能となる。この結果、スロットル弁に起因した吸気のポンピングロスが抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
４サイクルの内燃機関では、混合気の燃焼によって発生する燃焼圧力を機関出力軸（クランクシャフト）の回転トルクに有効に反映させるべく各気筒の排気行程下死点で排気弁を開弁させるとともに、排気の慣性力を利用して排気効率を向上させるべく各気筒の排気行程上死点直後で排気弁を閉弁させることが好ましい。
【０００７】
このようなバルブタイミングが直列４気筒や直列６気筒の４サイクル内燃機関のように複数の気筒のうちの一の気筒が排気行程上死点もしくは排気行程上死点の直前にあるときに他の気筒が排気行程下死点となる内燃機関に適用された場合には、一の気筒の排気弁が閉弁する直前に他の気筒の排気弁が開弁されることになる。
【０００８】
ここで、内燃機関の各気筒において排気弁が開弁した直後は、気筒内と排気通路との圧力差が大きいため、気筒内の既燃ガスが音速で一斉に排気通路へ噴出する、所謂ブローダウン現象が発生し、そのブローダウン現象による排気の圧力波（正圧波）が排気通路を経て他の気筒へ伝播されることになる。
【０００９】
このため、前述したバルブタイミングが直列４気筒又は直列６気筒の４サイクル内燃機関に適用されると、一の気筒が排気行程上死点の近傍にあるときに他の気筒のブローダウン現象による正圧波が前記一の気筒へ到達する場合がある。
【００１０】
ところで、一の気筒が排気行程上死点近傍にあるとき、言い換えれば一の気筒が排気行程の終了間際にある時は気筒内と排気通路との圧力差が小さくなるため、そのような状況下で他の気筒のブローダウン現象による正圧波が前記一の気筒に伝播されると、排気通路の圧力が気筒内の圧力より高くなり、排気通路の排気が気筒内へ逆流してしまう虞がある。
【００１１】
排気行程終了間際の気筒に排気が逆流すると、排気行程が終了した後も気筒内に排気が残留することとなり、続く吸気行程における吸気の充填効率が低下し、その結果、内燃機関の出力が低下する虞がある。
【００１２】
本発明は、上記したような事情に鑑みてなされたものであり、電磁力を利用して排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構を備えた内燃機関において、ブローダウン現象に起因した排気効率の低下を抑制する技術を提供することにより、吸気の充填効率を向上させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る内燃機関は、複数の気筒と、電磁力を利用して各気筒の排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構とを備え、前記複数の気筒の中の一の気筒が排気上死点となるとき又は排気行程上死点の直前となるときに他の気筒が排気行程下死点となる内燃機関において、
前記他の気筒の排気弁が開弁した際に発生する圧力波が前記一の気筒へ伝播する時期と前記一の気筒が排気上死点近傍となる時期とを異ならせるべく前記電磁駆動式動弁機構を制御するバルブタイミング制御手段を備えることを特徴としている。
【００１４】
このように構成された内燃機関では、バルブタイミング制御手段は、一の気筒が排気行程上死点近傍となる時期と他の気筒の排気弁が開弁した際に発生する圧力波（ブローダウン現象による正圧波）が一の気筒に伝播する時期とを異ならせるべく電磁駆動式動弁機構を制御することになる。
【００１５】
この場合、他の気筒の排気弁が開弁した際に発生するブローダウン現象による正圧波は、一の気筒が排気上死点近傍にあるときに該一の気筒へ伝播されることがなくなるため、排気通路内の圧力が前記一の気筒内の圧力より高くなることがなく、排気通路内の排気が前記一の気筒内へ逆流することがない。
【００１６】
この結果、前記一の気筒の排気行程が終了する間際では、排気の慣性力によって前記一の気筒内の既燃ガスが排気通路へ排出されるため、該一の気筒内に排気が残留することがなく、前記一の気筒の吸気行程において吸気の充填効率が向上することになる。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関において、バルブタイミング制御手段は、例えば、他の気筒の排気弁が開弁する時期を所定量遅角させるべく電磁駆動式動弁機構を制御するようにしてもよい。
【００１８】
この場合、他の気筒の排気弁開弁時期が遅角されることによってブローダウン現象による正圧波の発生時期が遅くなるため、その正圧波が一の気筒へ到達する時期は、一の気筒の排気行程上死点より後であって、一の気筒の排気弁が閉弁した後となる。
【００１９】
この結果、一の気筒の排気弁が閉弁する間際に、他の気筒で発生したブローダウン現象による正圧波が一の気筒に伝播されることがない。
尚、前記した所定量は、他の気筒で発生したブローダウン現象による正圧波の伝播速度と内燃機関の機関回転速度との相対差に基づいて決定されるようにしてもよい。
【００２０】
これは、内燃機関における排気弁の開閉時期は機関出力軸たるクランクシャフトの回転角度位置で特定されるため、一の気筒の排気弁閉弁時期と他の気筒の排気弁閉弁時期との時間的な間隔は機関回転速度に応じて変化することになるが、ブローダウン現象による正圧波の伝播速度は音速で略一定となるためである。
【００２１】
また、本発明に係る内燃機関、すなわち、複数の気筒の中の一の気筒が排気上死点となるとき又は排気行程上死点の直前となるときに他の気筒が排気行程下死点となる内燃機関としては、直列４気筒の４サイクル内燃機関や、直列６気筒の４サイクル内燃機関等を例示することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１及び図２は、本実施の形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１及び図２に示す内燃機関１は、４つの気筒２１を備えた直列４気筒の４サイクルガソリンエンジンである。
【００２４】
内燃機関１は、４つの気筒２１及び冷却水路１ｃが形成されたシリンダブロック１ｂと、このシリンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１ａとを備えている。
【００２５】
前記シリンダブロック１ｂには、機関出力軸たるクランクシャフト２３が回転自在に支持され、このクランクシャフト２３は、各気筒２１内に摺動自在に装填されたピストン２２と連結されている。
【００２６】
各気筒２１のピストン２２上方には、ピストン２２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室２４が形成されている。前記シリンダヘッド１ａには、燃焼室２４に臨むよう点火栓２５が取り付けられ、この点火栓２５には、該点火栓２５に駆動電流を印加するためのイグナイタ２５ａが接続されている。
【００２７】
前記シリンダヘッド１ａには、２つの吸気ポート２６の開口端と２つの排気ポート２７の開口端とが燃焼室２４に臨むよう形成されるとともに、その噴孔が吸気ポート２６に臨むよう燃料噴射弁３２が取り付けられている。
【００２８】
前記シリンダヘッド１ａには、前記吸気ポート２６の各開口端を開閉する吸気弁２８が進退自在に設けられている。各吸気弁２８には、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して前記吸気弁２８を進退駆動する電磁駆動機構３０（以下、吸気側電磁駆動機構３０と記す）が取り付けられている。
【００２９】
前記シリンダヘッド１ａには、前記排気ポート２７の各開口端を開閉する排気弁２９が進退自在に設けられている。各排気弁２９には、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して前記排気弁２９を進退駆動する電磁駆動機構３１（以下、排気側電磁駆動機構３１と記す）が取り付けられている。
【００３０】
ここで、吸気側電磁駆動機構３０と排気側電磁駆動機構３１の具体的な構成について述べる。尚、吸気側電磁駆動機構３０と排気側電磁駆動機構３１とは同様の構成であるため、排気側電磁駆動機構３１のみを例に挙げて説明する。
【００３１】
図３は、排気側電磁駆動機構３１の構成を示す断面図である。図３において内燃機関１のシリンダヘッド１ａは、シリンダブロック１ｂの上面に固定されるロアヘッド１０と、このロアヘッド１０の上部に設けたアッパヘッド１１とを備えている。
【００３２】
前記ロアヘッド１０には、各気筒２１に対応した排気ポート２７が形成され、各排気ポート２７の燃焼室２４側の開口端には、排気弁２９の弁体２９ａが着座するための弁座１２が設けられている。
【００３３】
ロアヘッド１０には、各排気ポート２７の内壁面からこのロアヘッド１０の上面にかけて断面円形の貫通孔が形成され、この貫通孔には、この貫通孔に挿通される排気弁２９の弁軸２９ｂを進退自在に保持する筒状のバルブガイド１３が挿入されている。
【００３４】
アッパヘッド１１には、第１コア３０１及び第２コア３０２が嵌入される断面円形のコア取付孔１４が設けられ、このコア取付孔１４は前記バルブガイド１３と軸心が同一となる位置にある。コア取付孔１４は下部が径大に形成され、その上部の径小部１４ａと下部の径大部１４ｂを備えている。
【００３５】
前記径小部１４ａには、軟磁性体からなる環状の第１コア３０１と第２コア３０２とが所定の間隙３０３を介して軸方向に直列に嵌挿されている。これらの第１コア３０１の上端と第２コア３０２の下端には、それぞれフランジ３０１ａとフランジ３０２ａが形成されており、第１コア３０１は上方から、また第２コア３０２は下方からそれぞれコア取付孔１４に嵌挿され、フランジ３０１ａとフランジ３０２ａがコア取付孔１４の縁部に当接することにより第１コア３０１と第２コア３０２の位置決めがされて、前記間隙３０３が所定の距離に保持されるようになっている。
【００３６】
第１コア３０１の上方には、筒状のアッパキャップ３０５が設けられている。このアッパキャップ３０５は、その下端に形成されたフランジ部３０５ａにボルト３０４を貫通させてアッパヘッド１１上面に固定されている。この場合、フランジ部３０５ａを含むアッパキャップ３０５の下端が第１コア３０１の上面周縁部に当接した状態で固定されることになり、その結果、第１コア３０１がアッパヘッド１１に固定されることになる。
【００３７】
一方、第２コア３０２の下部には、コア取付孔１４の径大部１４ｂと略同径の外径を有する環状体からなるロアキャップ３０７が設けられている。このロアキャップ３０７にはボルト３０７が貫通し、そのボルト３０７により前記径小部１４ａと径大部１４ｂの段部における下向きの段差面に固定されている。この場合、ロアキャップ３０７が第１コア３０２の下面周縁部に当接した状態で固定されることになり、その結果、第２コア３０２がアッパヘッド１１に固定されることになる。
【００３８】
前記第１コア３０１の前記間隙３０３側の面に形成された溝部には、第１の電磁コイル３０８が把持されており、前記第２コア３０２の間隙３０３側の面に形成された溝部には第２の電磁コイル３０９が把持されている。その際、第１の電磁コイル３０８と第２の電磁コイル３０９とは、前記間隙３０３を介して向き合う位置に配置されるものとする。
【００３９】
前記間隙３０３には、該間隙３０３の内径より径小な外径を有する環状の軟磁性体からなるアーマチャ３１１が配置されている。このアーマチャ３１１の中空部には、該アーマチャ３１１の軸心に沿って上下方向に延出した円柱状のアーマチャシャフト３１０が固定されている。このアーマチャシャフト３１１は、その上端が前記第１コア３０１の中空部を通ってその上方のアッパキャップ３０５内まで至るとともに、その下端が第２コア３０２の中空部を通ってその下方の径大部１４ｂ内に至るよう形成され、前記第１コア３０１及び前記第２コア３０２によって軸方向へ進退自在に保持されている。
【００４０】
前記アッパキャップ３０５内に延出したアーマチャシャフト３１０の上端部には、円板状のアッパリテーナ３１２が接合されるとともに、前記アッパキャップ３０５の上部開口部にはアジャストボルト３１３が螺着され、これらアッパリテーナ３１２とアジャストボルト３１３との間には、アッパスプリング３１４が介在している。尚、前記アジャストボルト３１３と前記アッパスプリング３１４との当接面には、前記アッパキャップ３０５の内径と略同径の外径を有するスプリングシート３１５が介装されている。
【００４１】
一方、前記大径部１２ｂ内に延出したアーマチャシャフト３１０の下端部には、排気弁２９の弁軸２９ｂの上端部が当接している。前記弁軸２９ｂの上端部の外周には、円板状のロアリテーナ２９ｃが接合されており、そのロアリテーナ２９ｃの下面とロアヘッド１０の上面との間には、ロアスプリング３１６が介在している。
【００４２】
このように構成された排気側電磁駆動機構３１では、第１の電磁コイル３０８及び第２の電磁コイル３０９に励磁電流が印加されていないときは、アッパスプリング３１４からアーマチャシャフト３１０に対して下方向（すなわち、排気弁２９を開弁させる方向）への付勢力が作用するとともに、ロアスプリング３１６から排気弁２９に対して上方向（すなわち、排気弁２９を閉弁させる方向）への付勢力が作用し、その結果、アーマチャシャフト３１０及び排気弁２９が互いに当接して所定の位置に弾性支持された状態、いわゆる中立状態に保持されることになる。
【００４３】
尚、アッパスプリング３１４とロアスプリング３１６の付勢力は、前記アーマチャ３１１の中立位置が前記間隙３０３において前記第１コア３０１と前記第２コア３０２との中間の位置に一致するよう設定されており、構成部品の初期公差や経年変化等によってアーマチャ３１１の中立位置が前記した中間位置からずれた場合には、アーマチャ３１１の中立位置が前記した中間位置と一致するようアジャストボルト３１３によって調整することが可能になっている。
【００４４】
また、前記アーマチャシャフト３１０及び前記弁軸２９ｂの軸方向の長さは、前記アーマチャ３１１が前記間隙３０３の中間位置に位置するときに、前記弁体２９ａが全開側変位端と全閉側変位端との中間の位置（以下、中開位置と称する）となるように設定されている。
【００４５】
前記した排気側電磁駆動機構３１では、第１の電磁コイル３０８に励磁電流が印加されると、第１コア３０１と第１の電磁コイル３０８とアーマチャ３１１との間に、アーマチャ３１１を第１コア３０１側へ変位させる方向の電磁力が発生し、第２の電磁コイル３０９に励磁電流が印加されると、第２コア３０２と第２の電磁コイル３０９とアーマチャ３１１との間にアーマチャ３１１を前記第２コア３０２側へ変位させる方向の電磁力が発生する。
【００４６】
従って、上記した排気側電磁駆動機構３１では、第１の電磁コイル３０８と第２の電磁コイル３０９とに交互に励磁電流が印加されることにより、アーマチャ３１１が進退動作し、以て弁体２９ａが開閉駆動されることになる。その際、第１の電磁コイル３０８及び第２の電磁コイル３０９に対する励磁電流の印加タイミングと励磁電流の大きさを変更することにより、排気弁２９の開閉タイミングを制御することが可能となる。
【００４７】
ここで、図１及び図２に戻り、内燃機関１のシリンダヘッド１ａには、４つの枝管からなる吸気枝管３３が接続され、各気筒２１の吸気ポート２６が前記吸気枝管３３の各枝管と連通している。
【００４８】
前記吸気枝管３３は、吸気の脈動を抑制するためのサージタンク３４に接続されている。前記サージタンク３４には、吸気管３５が接続されている。前記吸気管３５は、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナボックス３６と接続されている。
【００４９】
前記吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる空気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられている。前記吸気管３５において前記エアフローメータ４４より下流の部位には、該吸気管３５内を流れる吸気の流量を調整するスロットル弁３９が設けられている。
【００５０】
前記スロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり印加電力の大きさに応じて前記スロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、前記スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１と、アクセルペダル４２に機械的に接続され該アクセルペダル４２の操作量に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３とが取り付けられている。
【００５１】
一方、前記内燃機関１には、４本の枝管が内燃機関１の直下流において１本の集合管に合流するよう形成された排気枝管４５が接続され、各気筒２１の排気ポート２７が前記排気枝管４５の各枝管と連通している。
【００５２】
前記した排気枝管４５の集合管は、排気浄化触媒４６と接続されている。排気浄化触媒４６は、排気管４７が接続され、排気管４７は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【００５３】
前記排気枝管４５の集合管には、該排気枝管４５内を流れる排気の空燃比、言い換えれば、前記排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
【００５４】
前記排気浄化触媒４６は、例えば、該排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍の所定の空燃比であるときに排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する三元触媒、該排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、流入排気の空燃比が理論空燃比もしくはリッチ空燃比であるときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ還元・浄化する吸蔵還元型ＮＯx触媒、該排気浄化触媒４６に流入する排気の空燃比が酸素過剰状態にあり且つ所定の還元剤が存在するときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を還元・浄化する選択還元型ＮＯx触媒、もしくは上記した各種の触媒を適宜組み合わせてなる触媒である。
【００５５】
また、内燃機関１は、クランクシャフト２３の端部に取り付けられたタイミングロータ５１ａとタイミングロータ５１ａ近傍のシリンダブロック１ｂに取り付けられた電磁ピックアップ５１ｂとからなるクランクポジションセンサ５１と、内燃機関１の内部に形成された冷却水路１ｃを流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２とを備えている。
【００５６】
このように構成された内燃機関１には、該内燃機関１の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）２０が併設されている。
【００５７】
前記ＥＣＵ２０には、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、クランクポジションセンサ５１、水温センサ５２等の各種センサが電気配線を介して接続され、各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。
【００５８】
前記ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、吸気側電磁駆動機構３０、排気側電磁駆動機構３１、燃料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が各種センサの出力信号値をパラメータとしてイグナイタ２５ａ、吸気側電磁駆動機構３０、排気側電磁駆動機構３１、燃料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０を制御することが可能になっている。
【００５９】
ここで、ＥＣＵ２０は、図４に示すように、双方向性バス４００によって相互に接続されたＣＰＵ４０１とＲＯＭ４０２とＲＡＭ４０３とバックアップＲＡＭ４０４と入力ポート４０５と出力ポート４０６とを備えるとともに、前記入力ポート４０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）４０７を備えている。
【００６０】
前記Ａ／Ｄ４０７は、スロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２等のようにアナログ信号形式の信号を出力するセンサと電気配線を介して接続されている。前記Ａ／Ｄ４０７は、前記した各センサの出力信号をアナログ信号形式からデジタル信号形式に変換した後に前記入力ポート４０５へ送信する。
【００６１】
前記入力ポート４０５は、前述したスロットルポジションセンサ４１、アクセルポジションセンサ４３、エアフローメータ４４、空燃比センサ４８、水温センサ５２等のようにアナログ信号形式の信号を出力するセンサと前記Ａ／Ｄ４０７を介して接続されるとともに、クランクポジションセンサ５１のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサと直接接続されている。
【００６２】
前記入力ポート４０５は、各種センサの出力信号を直接又はＡ／Ｄ４０７を介して入力し、それらの出力信号を双方向性バス４００を介してＣＰＵ４０１やＲＡＭ４０３へ送信する。
【００６３】
前記出力ポート４０６は、イグナイタ２５ａ、吸気側電磁駆動機構３０、排気側電磁駆動機構３１、燃料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０等と電気配線を介して接続されている。
【００６４】
前記出力ポート４０６は、ＣＰＵ４０１から出力された制御信号を双方向性バス４００を介して入力し、その制御信号をイグナイタ２５ａ、吸気側電磁駆動機構３０、排気側電磁駆動機構３１、燃料噴射弁３２、又はスロットル用アクチュエータ４０へ送信する。
【００６５】
前記ＲＯＭ４０２は、燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、吸気弁２８を所望の目標開弁タイミング及び目標閉弁タイミングに従って開閉させるための吸気弁開閉制御ルーチン、排気弁２９を所望の目標開弁タイミング及び目標閉弁タイミングに従って開閉させるための排気弁開閉制御ルーチン、各気筒２１の点火栓２５の点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を決定するためのスロットル開度制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００６６】
前記ＲＯＭ４０２は、前記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記した制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気弁２８の目標開閉タイミングとの関係を示す吸気弁開閉タイミング制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気弁２９の目標開閉タイミングとの関係を示す排気弁開閉タイミング制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気側電磁駆動機構３０及び排気側電磁駆動機構３１に印加すべき励磁電流量との関係を示す励磁電流量制御マップ、内燃機関１の運転状態と各点火栓２５の点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、内燃機関１の運転状態とスロットル弁３９の開度との関係を示すスロットル開度制御マップ等である。
【００６７】
前記ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号やＣＰＵ４０１の演算結果等を記憶する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数等である。前記ＲＡＭ４０３に記憶される各種のデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。
【００６８】
前記バックアップＲＡＭ４５は、内燃機関１の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリであり、各種制御に係る学習値等を記憶する。
前記ＣＰＵ４０１は、前記ＲＯＭ４０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料噴射制御、吸気弁開閉制御、排気弁開閉制御、点火制御を実行すると共に、本発明の要旨となるバルブタイミング制御を実行する。
【００６９】
以下、本実施の形態に係るバルブタイミング制御について述べる。
４サイクルの内燃機関では、混合気の燃焼によって発生する燃焼圧力をクランクシャフトの回転トルクに有効に反映させるべく排気弁の開弁時期を排気行程下死点に設定し、且つ、排気の慣性力を利用して排気効率を向上させるべく排気弁の閉弁時期を排気行程上死点後に設定することが好ましい。尚、以下では、排気弁の開弁時期が排気行程下死点となり且つ排気弁の閉弁時期が排気行程上死点後となるバルブタイミングを基準排気バルブタイミングと称するものとする。
【００７０】
ところで、内燃機関１は直列４気筒の４サイクル内燃機関であるため、気筒間の点火間隔が１８０°ＣＡとなり、４つ気筒２１のうちの一の気筒２１の排気行程上死点と他の気筒２１（点火順序が一の気筒２１の次となる気筒２１）の排気行程下死点とが同期することになる。
【００７１】
例えば、内燃機関１の点火順序が１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順序となる場合は、図５に示すように、１番気筒が排気行程上死点となるときに３番気筒が排気行程下死点となり、３番気筒が排気行程上死点となるときに４番気筒が排気行程下死点となり、４番気筒が排気行程上死点となるときに２番気筒が排気行程下死点となり、２番気筒が排気行程上死点となるときに１番気筒が排気行程下死点となる。
【００７２】
このため、内燃機関１において基準排気バルブタイミングが適用された場合は、一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する前に他の気筒２１の排気弁２９が開弁することになる。
【００７３】
他の気筒２１の排気弁２９が開弁した直後は、前記他の気筒２１内の既燃ガスが音速で一斉に排気枝管４５へ噴出するブローダウン現象が発生し、そのブローダウン現象による正圧波が排気枝管４５を介して一の気筒２１の排気ポート２７へ伝播することになる。
【００７４】
他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が一の気筒２１の排気ポート２７へ伝播されると、図６に示すように、前記排気ポート２７内の圧力が急激に高くなる。その際、一の気筒２１の排気弁２９が閉弁していないと、排気ポート２７から気筒２１内へ排気が逆流し、排気効率が悪化してしまうことになる。
【００７５】
特に、本実施の形態で例示した排気枝管４５のように、４つの枝管が内燃機関の直下流において１本の集合管に合流するよう形成された排気枝管を備えた内燃機関では、他の気筒から一の気筒へ至る排気通路の距離が短くなるため、他の気筒のブローダウン現象による正圧波が一の気筒の排気弁閉弁前に該一の気筒へ伝播する可能性が高くなる。
【００７６】
一方、ブローダウン現象による正圧波の伝播速度が音速で略一定となるため、他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が一の気筒２１に到達するのに要する時間（以下、ブローダウン伝播時間：ＴBと称する）は略一定となる。
【００７７】
これに対し、基準排気バルブタイミングにおける他の気筒２１の排気弁開弁時期と一の気筒２１の排気弁閉弁時期との時間的な間隔（以下、気筒間排気弁動作間隔：ＴVと称する）は、機関回転速度（機関回転数）に応じて変化することになる。例えば、内燃機関１の機関回転数が低くなるほど気筒間排気弁動作間隔：ＴVは長くなり、内燃機関１の機関回転数が高くなるほど気筒間排気弁動作間隔：ＴVは短くなる。
【００７８】
そこで、本実施の形態では、内燃機関１に関して、気筒間排気弁動作間隔：ＴVとブローダウン伝播時間：ＴBとが等しくなる機関回転数（以下、基準機関回転数と称する）を予め実験的に求めておき、ＣＰＵ４０１は、内燃機関１の機関回転数が前記基準機関回転数以下であるときには、各気筒２１の排気弁開弁時期を基準排気バルブタイミングの排気弁開弁時期（排気行程下死点）より所定量遅角させるようにした。
【００７９】
このように排気弁開弁時期が遅角された場合は、ブローダウン現象の発生時期は、基準排気バルブタイミングに従って排気弁２９が開弁する場合に比して遅くなる。
【００８０】
その際、ＣＰＵ４０１が排気弁開弁時期の遅角量を最適化することにより、図７に示すように、内燃機関１の一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する前に、他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が前記一の気筒２１に到達することがない。言い換えれば、前記他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波は、前記一の気筒２１の排気弁２９が閉弁した後に、該一の気筒２１へ到達することになる。
【００８１】
尚、排気弁開弁時期の遅角量は、所定の固定値であってもよく、あるいは、機関回転数に応じて変更される可変値であってもよいが、本実施の形態では、排気弁開弁時期の遅角量が可変値とされる例について述べる。
【００８２】
排気弁開弁時期の遅角量が可変値とされる場合は、ＣＰＵ４０１は、内燃機関１の機関回転数が基準機関回転数より低いことを条件に、機関回転数が低くなるほど遅角量を大きくし、機関回転数が高くなるほど遅角量を小さくする。
【００８３】
具体的には、ＣＰＵ４０１は、先ず、内燃機関１の機関回転数をパラメータとして気筒間排気弁動作間隔：ＴVを算出する。次いで、ＣＰＵ４０１は、前記気筒間排気弁動作間隔：ＴVからブローダウン伝播時間：ＴBを減算して前記気筒間排気弁動作間隔：ＴVと前記ブローダウン伝播時間：ＴBとの時間差：ＴV−ＴBを求め、前記した時間差：ＴV−ＴBが大きくなるほど遅角量を大きくし、前記した時間差：ＴV−ＴBが小さくなるほど遅角量を小さくする。
【００８４】
その際、時間差：ＴV−ＴBと遅角量との相関関係を実験的に求め、それらの関係を予め二次元マップ化してＲＯＭ４０２の所定領域に記憶しておくようにしてもよい。但し、その場合には、ＣＰＵ４０１は、気筒間排気弁動作間隔：ＴV及び時間差：ＴV−ＴBを算出した上で遅角量を算出することになり、ＣＰＵ４０１にかかる負荷が大きくなるので、機関回転数と遅角量との相関関係を実験的に求め、それらの関係を予め二次元マップ化してＲＯＭ４０２の所定領域に記憶させておくことにより、ＣＰＵ４０１にかかる負荷を低減するようにしても良い。
【００８５】
次に、本実施の形態に係るバルブタイミング制御について具体的に述べる。
バルブタイミング制御では、ＣＰＵ４０１は、図８に示すような排気側バルブタイミング制御ルーチンを実行することになる。この排気側バルブタイミング制御ルーチンは、予めＲＯＭ４０２に記憶されているアプリケーションプログラムであり、ＣＰＵ４０１によって所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ５１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。
【００８６】
排気側バルブタイミング制御ルーチンでは、ＣＰＵ４０１は、先ずＳ８０１において、ＲＡＭ４０３へアクセスし、最新の機関回転数（Ｎｅ）を読み出す。
Ｓ８０２では、ＣＰＵ４０１は、ＲＯＭ４０２へアクセスし、予め実験的に求められた基準機関回転数（Ｎｅｓ）を読み出す。
【００８７】
Ｓ８０３では、ＣＰＵ４０１は、前記Ｓ８０１で読み出された機関回転数（Ｎｅ）が前記Ｓ８０２で読み出された基準機関回転数（Ｎｅｓ）以下であるか否かを判別する。
【００８８】
前記Ｓ８０３において前記機関回転数（Ｎｅ）が前記基準機関回転数（Ｎｅｓ）より高いと判定した場合は、ＣＰＵ４０１は、基準排気バルブタイミングにおける気筒間排気弁動作間隔：ＴVがブローダウン伝播時間：ＴBより短くなるとみなし、Ｓ８０７へ進む。
【００８９】
Ｓ８０７では、ＣＰＵ４０１は、基準排気バルブタイミングに従って排気弁２９を開閉動作させるべく排気側電磁駆動機構３１を制御する。
具体的には、ＣＰＵ４０１は、先ず、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいてクランクシャフト２３の回転角度位置を算出する。続いて、ＣＰＵ４０１は、算出された回転角度位置が基準排気バルブタイミングの排気弁開弁時期と一致した時点（もしくは、ＣＰＵ４０１が制御信号を出力した時点から排気弁２９が実際に開弁動作する時点までの応答遅れ時間の分だけ排気弁開弁時期より早い時点）で、排気側電磁駆動機構３１の第１の電磁コイル３０８に対する励磁電流の印加を停止し、次いで第２の電磁コイル３０９に対する励磁電流の印加を開始する。
【００９０】
また、ＣＰＵ４０１は、クランクシャフト２３の回転角度位置が基準排気バルブタイミングの排気弁閉弁時期と一致した時点（もしくは、ＣＰＵ４０１が制御信号を出力した時点から排気弁２９が実際に閉弁動作する時点までの応答遅れ時間の分だけ排気弁閉弁時期より早い時点）で、排気側電磁駆動機構３１の第２の電磁コイル３０９に対する励磁電流の印加を終了し、次いで第１の電磁コイル３０８のに対する励磁電流の印加を開始する。
【００９１】
この場合、内燃機関１の各気筒２１の排気弁２９は、基準排気バルブタイミングに従って開閉動作し、一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する前に他の気筒２１の排気弁２９が開弁することになるが、他の気筒２１の排気弁２９が開弁する時点から一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する時点までの時間（すなわち、気筒間排気弁動作間隔：ＴV）は、他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が一の気筒２１へ到達するのに要する時間（すなわち、ブローダウン伝播時間：ＴB）より短くなるため、一の気筒２１の排気弁は、他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が該一の気筒２１へ到達する前に閉弁することになる。
【００９２】
ＣＰＵ４０１は、上記したようなＳ８０７の処理を実行し終えると、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、前記したＳ８０３において前記機関回転数（Ｎｅ）が前記基準機関回転数（Ｎｅｓ）以下であると判定した場合は、ＣＰＵ４０１は、基準排気バルブタイミングにおける気筒間排気弁動作間隔：ＴVがブローダウン伝播時間：ＴBより長くなるとみなし、Ｓ８０４へ進む。
【００９３】
Ｓ８０４では、ＣＰＵ４０１は、排気弁開弁時期の遅角量を算出する。その際、ＣＰＵ４０１は、機関回転数と遅角量との相関関係を示す二次元マップを用いて遅角量を算出するようにしてもよく、あるいは、気筒間排気弁動作間隔：ＴVとブローダウン伝播時間：ＴBとの時間差：ＴV−ＴBを算出した上で、その時間差：ＴV−ＴBと遅角量との相関関係を示す二次元マップを用いて遅角量を算出するようにしてもよい。
【００９４】
Ｓ８０５では、ＣＰＵ４０１は、基準排気バルブタイミングの排気弁開弁時期を前記Ｓ８０４で算出された遅角量に従って補正する。
Ｓ８０６では、ＣＰＵ４０１は、前記Ｓ８０５で補正された排気弁開弁時期、及び基準排気バルブタイミングの排気弁閉弁時期に従って排気弁２９を開閉動作させるべく排気側電磁駆動機構３１を制御する。そして、ＣＰＵ４０１は、前記Ｓ８０６の処理を実行し終えると本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００９５】
この場合、各気筒２１の排気弁開弁時期は、基準排気バルブタイミングの排気弁開弁時期より遅角されるため、内燃機関１の一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する前に他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が前記一の気筒２１へ到達することがない。
【００９６】
この結果、内燃機関１の一の気筒２１の排気弁２９が閉弁する直前であって、一の気筒２１が排気行程上死点近傍にあるときには、一の気筒２１内に残留していた既燃ガスの略全てが排気の慣性力を受けて該一の気筒２１内から排気ポート２７へ引き出されることになり、一の気筒２１の排気効率が向上する。
【００９７】
更に、排気弁２９が閉弁する直前の気筒２１において既燃ガスの略全てが排出されると、排気弁２９が閉弁する時点で気筒２１内の圧力が負圧となるため、続く吸気行程における吸気の充填効率が向上し、内燃機関１の出力を高めることが可能となる。
【００９８】
尚、排気弁２９の開弁時期が排気行程下死点後に遅角されると、排気行程下死点から排気弁２９が開弁されるまでの期間において内燃機関１が気筒２１内の既燃ガスを圧縮する仕事を行うこととなり、それによって機関出力の一部が損失されることになるが、排気弁開弁時期の遅角量を必要最小限に抑えることにより、排気弁開弁時期の遅角に起因した機関出力の損失量に比して、吸気の充填効率向上による機関出力の増大量を大きくすることが可能となる。
【００９９】
以上述べたようにＣＰＵ４０１が排気側バルブタイミング制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかるバルブタイミング制御手段が実現されることになる。
【０１００】
従って、本実施の形態に係る内燃機関１によれば、一の気筒２１が排気行程上死点近傍にあるとき、つまり一の気筒２１が排気行程の終了間際にあるときに、他の気筒２１のブローダウン現象による正圧波が前記１の気筒２１へ伝播することがなくなるため、一の気筒２１へ排気が逆流することがなく、排気効率の向上と吸気の充填効率向上とを図ることが可能となり、以て内燃機関１の出力を向上させることができる。
【０１０１】
尚、本実施の形態では、直列４気筒の４サイクル内燃機関を例に挙げたが、これに限られるものではなく、直列６気筒の４サイクル内燃機関１であってもよい。要は、複数気筒のうちの一の気筒が排気行程上死点近傍にあるときに他の気筒が排気行程下死点となる内燃機関であればよい。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関によれば、複数の気筒の中の一の気筒が排気上死点となるとき又は排気行程上死点の直前となるときに他の気筒が排気行程下死点となる内燃機関において、他の気筒の排気弁が開弁した際に発生する圧力波が一の気筒へ伝播する時期と一の気筒が排気上死点近傍となる時期とを異ならせることが可能となるため、一の気筒が排気上死点近傍にあるときに、他の気筒のブローダウン現象による正圧波が前記一の気筒へ伝播されることがなくなる。
【０１０３】
この結果、一の気筒が排気行程上死点近傍にあるとき、言い換えれば一の気筒が排気行程の終了間際にあるときに、一の気筒内に残留していた既燃ガスの略全ては、排気の慣性力を受けて排出されることとなり、既燃ガスが気筒内に残留することがなく、以て吸気行程における吸気の充填効率を向上させ、内燃機関の出力を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の一実施態様を示す平面図
【図２】 本発明に係る内燃機関の一実施態様を示す断面図
【図３】 排気側電磁駆動機構の構成を示す断面図
【図４】 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図
【図５】 内燃機関のサイクルを示すタイミングチャート図
【図６】 基準排気バルブタイミングにおいてブローダウン現象による正圧波が伝播するタイミングを示す図
【図７】 排気弁開弁時期が遅角された場合においてブローダウン現象による正圧波が伝播するタイミングを示す図
【図８】 排気側バルブタイミング制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２０・・・ＥＣＵ
２６・・・吸気ポート
２７・・・排気ポート
２８・・・吸気弁
２９・・・排気弁
３０・・・吸気側電磁駆動機構
３１・・・排気側電磁駆動機構
３３・・・吸気枝管
３４・・・サージタンク
３５・・・吸気管
３６・・・エアクリーナボックス
３９・・・スロットル弁
４０・・・スロットル用アクチュエータ
４１・・・スロットルポジションセンサ
４２・・・アクセルペダル
４３・・・アクセルポジションセンサ
５１・・・クランクポジションセンサ

Claims (4)

1. 複数の気筒と、電磁力を利用して各気筒の排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構とを備え、前記複数の気筒の中の一の気筒の排気弁が閉弁する前に他の気筒の排気弁が開弁する内燃機関において、
   前記他の気筒の排気弁が開弁した際に発生する圧力波が前記一の気筒へ伝播する時期を前記一の気筒の排気弁が閉弁する時期より遅らせるべく前記電磁駆動式動弁機構を制御するバルブタイミング制御手段を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記バルブタイミング制御手段は、前記他の気筒の排気弁が開弁する時期を所定量遅角させるべく前記電磁駆動式動弁機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記所定量は、前記一の気筒の排気弁が開弁する時期と前記他の気筒の排気弁が開弁する時期との時間的な間隔である気筒間排気弁動作間隔と、前記圧力波が前記一の気筒に到達するのに要する時間であるブローダウン伝播時間と、の相対差に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記内燃機関は、直列４気筒又は直列６気筒の４サイクル内燃機関であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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