JP2004190514A

JP2004190514A - Internal combustion engine with variable valve timing mechanism

Info

Publication number: JP2004190514A
Application number: JP2002356918A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nakai; 英夫中井; Katsuhiko Miyamoto; 勝彦宮本; Yoshiyuki Hoshiba; 義幸干場; Katsuyuki Maeda; 勝幸前田; Seiji Shioda; 聖二塩田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP4066796B2

Abstract

【課題】可変バルブタイミング機構付内燃機関において、機関運転状態が所定の低回転高負荷領域にある場合において、燃費の悪化を防止でき、エンジン出力を効果的に向上させることができるようにする。
【解決手段】吸気弁５と排気弁６とのバルブオーバラップ量を機関運転状態に応じて可変制御する可変バルブタイミング機構３０と、吸気ポート７に燃料を噴射する燃料噴射装置１０とを備えた、可変バルブタイミング機構付内燃機関１において、該機関運転状態が所定の低回転高負荷領域にある場合には、該バルブオーバラップ量を該機関運転状態が高回転領域にある場合よりも大きく設定すると共に燃料噴射装置１０による燃料噴射時期を吸気行程に設定する制御手段４０を備える。
【選択図】図１In an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism, when the operating state of the engine is in a predetermined low-speed high-load region, deterioration of fuel efficiency can be prevented, and engine output can be effectively improved.
A variable valve timing mechanism (30) variably controls a valve overlap amount between an intake valve (5) and an exhaust valve (6) according to an engine operating state, and a fuel injection device (10) for injecting fuel into an intake port (7). In the internal combustion engine 1 with a variable valve timing mechanism, when the engine operation state is in a predetermined low rotation high load area, the valve overlap amount is set to be larger than when the engine operation state is in the high rotation area. And a control means 40 for setting the fuel injection timing of the fuel injection device 10 to the intake stroke.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップ量を機関運転状態に応じて可変制御する可変バルブタイミング機構と、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射装置とを備えた、可変バルブタイミング機構付内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、一般的な自動車エンジンとして特に吸気ポート噴射型のエンジンにおけるバルブタイミング及び燃料噴射タイミングを示す模式的なタイミングチャートである。この図６に示すように、排気弁閉時期ＥＣよりも吸気弁開時期ＩＯを早く設定して、吸気バルブと排気バルブとが共に開いた期間、いわゆるバルブオーバラップ期間を設けることにより吸気及び排気の慣性力を利用して吸排気効率を向上させることが、自動車エンジンでは一般的に行なわれている。
【０００３】
また、吸気ポート噴射型のエンジンでは、吸気ポートに噴射された燃料が吸気行程において燃焼空気と混合されて燃焼室に流入するが、燃料の霧化する期間を長くして上記混合が十分行なわれるよう、図示するように排気行程に燃料噴射を行なうのが一般的である。例えば特許文献１に開示された可変バルブタイミング機構付エンジンでは、吸気弁の開弁よりも前に燃料噴射を完了して燃料噴射時に吸気ポートが排気ポートから遮断されるようにし、バルブオーバラップ期間中の排気の吹き返しによるインジェクタの燃料噴射口への燃料の堆積（いわゆるバルブデポジット）や熱によるインジェクタの損傷を防止できるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３１７２０９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発明の実施の形態で図４を参照して後述するように、吸気ポート噴射型のエンジンではバルブオーバラップ期間（バルブオーバラップ量）を通常の期間（クランク角度で３０度程度）よりも拡大することにより、機関運転状態が低速高負荷領域（エンジン回転速度が低速であってエンジン負荷が高負荷の領域）のときには、排気脈動の負圧波の発生をこのバルブオーバラップ期間に同期させて掃気効果の増大ひいては吸気量の増大により体積効率を向上させエンジン出力トルクを増大できることを、本願の発明者らは実験を行なって確認している。
【０００６】
しかしながら、このようにバルブオーバラップ量を通常よりも拡大した設定を、吸気弁が開弁されるよりも前に燃料噴射を完了させる上記の特許文献１に適用すると、バルブオーバラップ量の拡大によりバルブオーバラップ期間の掃気効果が増大することから、燃料噴射量の多い高負荷時においてはオーバラップ期間に多量の噴射済燃料が燃焼しないまま吸気ポートから排気ポートに吹き抜けてしまい、却ってエンジン出力の低下や燃費の悪化を招く虞がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、機関運転状態が所定の低回転高負荷領域にある場合において、燃費の悪化を防止でき、エンジン出力を効果的に向上させることができるようにした、可変バルブタイミング機構付内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の可変バルブタイミング機構付内燃機関では、機関運転状態が高負荷低回転領域にあるときには、バルブオーバラップ量が多めに設定されるので、排気脈動の負圧波をバルブオーバラップ中に同期させることができ、掃気効果により吸気が効果的に行なわれて体積効率が向上し、また、高負荷のため燃料噴射量が比較的多くなるが、燃料噴射時期が吸気行程に設定されるので噴射された燃料は吸気ポートへ吹き抜けずに筒内で燃焼する。
【０００９】
請求項２記載の本発明の可変バルブタイミング機構付内燃機関では、上記の吸気行程における燃料噴射が、排気弁の閉弁直後に開始されるので噴射燃料の吸気ポートへの吹き抜けが確実に防止され、また、上記の吸気行程における燃料噴射が吸気行程中期に終了するように設定されるので噴射された燃料は効率的に筒内へ吸入される。
【００１０】
請求項３記載の本発明の可変バルブタイミング機構付内燃機関では、機関運転状態が所定の低負荷低回転領域にあるときには、バルブオーバラップ量が多めに設定されるのでポンピングロスが低減し、さらに、燃料噴射時期が排気行程に設定されるので、低負荷のため燃料噴射期間が短いことからこの燃料噴射時期はバルブオーバラップ期間と重ならず燃料の吹き抜けが未然に防止されつつ、噴射燃料の気化が促進される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図５は、本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関（以下、エンジンともいう）について示す図である。
【００１２】
本実施形態のエンジン１は、自動車に搭載され、図１に示すように、吸気ポート７に燃料を噴射する吸気ポート噴射型エンジンであり、また、エンジン回転速度Ｎｅやエンジン負荷状態を示す有効圧力Ｐｅなどの機関運転状態に応じて吸気弁５と排気弁６とのバルブオーバラップ量を可変制御する可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）３０をそなえている。
【００１３】
以下、本エンジンについてさらに説明すると、図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各シリンダ３毎に点火プラグ１１が設けられ、また、シリンダ３内には、クランクシャフト（図示略）に連結されたピストン４が装備されている。シリンダヘッド２には、吸気弁５を介して燃焼室４と連通しうる上記吸気ポート７と排気弁６を介して燃焼室４と連通しうる排気ポート８とが形成されている。そして、各吸気ポート７にはそれぞれインジェクタ（燃料噴射装置）１０が装備されており、これらのインジェクタ１０により上述したように吸気ポート７に燃料が噴射されるようになっている。
【００１４】
また、カムシャフト２０，２１と吸気弁５，排気弁６との間には、上述したように可変バルブタイミング機構３０がそれぞれ装備されており、これらの可変バルブタイミング機構３０により吸気弁５を駆動するカム２０ａのクランクシャフトに対する位相や排気弁６を駆動するカム２１ａのクランクシャフトに対する位相を変更することで、吸気弁５の開弁時期や排気弁６の閉弁時期を変更してバルブオーバラップ量を可変制御できるようになっている。可変バルブタイミング機構３０には、公知の種々のものを適用できるのでその説明は省略するが、吸排気弁５，６の開閉弁時期を連続的に変更できる形式であっても良いし、開閉弁時期を複数の設定の中から選択して切り換えるような形式であっても良い。また、ここでは可変バルブタイミング機構３０が各吸排気弁５，６にそれぞれ設けられているが、可変バルブタイミング機構３０が吸排気弁５，６の何れか一方にだけ設けられるような構成であっても良い。
【００１５】
さて、吸気系は、上流側からエアクリーナ（図示略）や、吸気管７Ａやサージタンク７Ｂや吸気マニホールド７Ｃなどをそなえて構成され、吸気マニホールド７Ｃの下流端部には上記吸気ポート７が設けられている。また、この吸気系には、さらに、アクセル開度に応じて燃焼室４内へ流入する空気の量を調整するスロットル弁７１や、吸入空気流量を検出するエアフローセンサ７２や、スロットル弁７１のスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ７３が設けられている。
【００１６】
排気系には、排気ポート８を有する排気マニホールド８Ａがそなえられ、また、図示しない排ガス浄化用の三元触媒やＯ_２センサなどが設置されている。
この他、このエンジン１には、図示しないが、エンジン回転速度Ｎｅを検出するためのクランク角センサやアクセル開度θ_Ａを検出するためのアクセルポジションセンサなどが装備されている。
【００１７】
そして、点火プラグ１１，インジェクタ１０といった各エンジン制御要素の作動を制御するために、内燃機関の制御手段としての機能を有するＥＣＵ４０がそなえられている。このＥＣＵ４０には、入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶を行なう記憶装置，中央処理装置，タイマやカウンタ等がそなえられており、前述の種々のセンサ類からの検出情報などに基づいて、このＥＣＵ４０が、上述の各エンジン制御要素の制御を行なうようになっている。
【００１８】
また、ＥＣＵ４０には、燃料噴射時期を設定する燃料噴射時期設定手段４１と、この燃料噴射時期設定手段４１により設定された燃料噴射時期に燃料を噴射するようにインジェクタ１０の作動を制御するインジェクタ制御手段４２と、バルブオーバラップ量を設定するバルブオーバラップ量設定手段４３と、このバルブオーバラップ量となるように可変バルブタイミング機構３０を制御する可変バルブタイミング機構制御手段４４とがそなえられている。
【００１９】
燃料噴射時期設定手段４１及びバルブオーバラップ量設定手段４３は、何れも、エンジン回転速度Ｎｅ、及びエンジン負荷状態を示す有効圧力Ｐｅ（エンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度θ_Ａから算出される）に基づき、燃料噴射時期又はバルブオーバラップ量を設定するようになっている。
【００２０】
具体的には、燃料噴射時期及びバルブオーバラップ量は図２のマップに示すように機関運転状態に応じて設定されるようになっている。
つまり、エンジン回転速度Ｎｅが、所定回転速度Ｎｅ_２（例えば２５００〜３５００ｒｐｍ）よりも高い高回転領域Ｒ_５では、排気脈動による負圧波の発生をバルブオーバラップ期間に同期させづらく掃気効果が得られにくいため、吸気の充填が効果的に行なわれるようにバルブオーバラップ量が比較的少な目に設定され、また、このようにバルブオーバラップ量が比較的少な目に設定されるので、早期に燃料を噴射しても未燃焼のまま排気通路へ吹き抜けてしまう燃料は少ないと予想されるため、ここでは噴射された燃料の気化期間を長く取れるよう、燃料噴射時期は排気行程に設定されるようになっている。
【００２１】
また、エンジン回転速度Ｎｅが、所定の回転速度Ｎｅ_２以下であって有効圧力Ｐｅが所定圧力Ｐｅ_３（例えば８５０ＫＰａ）よりも高い低回転高負荷領域Ｒ_１では、低回転時（低エンジン回転速度時）には高い掃気効果が得られることからバルブオーバラップ量は比較的多めに設定され、また、高負荷で燃料噴射量が多いため燃料噴射時期を排気行程に設定するとバルブオーバラップ期間において排気通路へ吹き抜ける未燃燃料が多くなってしまうことから、燃料噴射時期は吸気行程に設定されるようになっている。ここでは、この吸気行程における燃料噴射時期は、図３（ａ）に示すように、燃料噴射が、排気弁閉ＥＣの直後に開始されるとともに吸気行程中期〔例えば上死点後（ＡＴＤＣ）でクランク角度で９０度〜１２０度）〕に終了されるように設定されており、噴射燃料の吹き抜けを確実に防止しつつも、極力早期に燃料噴射を完了させて安定して噴射燃料を気化させ筒内へ供給できるようにしている。
【００２２】
さらに、機関運転状態が、上記の所定の回転速度Ｎｅ_２よりも低く有効圧力Ｐｅが所定圧力Ｐｅ_２（例えば５００ＫＰａ）よりも低い領域であって後述の領域Ｒ_４を除いた低回転低負荷領域Ｒ_３では、ポンピングロスを低減できることからバルブオーバラップ量が比較的多めに設定されるとともに、高負荷帯Ｒ_１に較べ燃料噴射期間が短いので燃料噴射時期を排気行程に設定しても燃料噴射とバルブオーバラップとが同時に行なわれないことから、噴射燃料の気化時間を多く取れるように燃料噴射時期は排気行程に設定されるようになっている〔図３（ｂ）参照〕。
【００２３】
また、機関運転状態が、低回転領域のこの他の領域にある場合、つまり、有効圧力Ｐｅが所定圧力Ｐｅ_２以上且つ所定圧力Ｐｅ_３以下の中負荷領域Ｒ_２にある場合と、有効圧力Ｐｅが所定圧力Ｐｅ_１（例えば２５０ＫＰａ）よりも低くエンジン回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｅ_１（例えば１７５０ｒｐｍ）よりも低い領域及び有効圧力Ｐｅが所定圧力Ｐｅ_０（例えば１００ＫＰａ）よりも低くエンジン回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｅ_１〜所定回転速度Ｎｅ_２にある領域を併せた領域（つまりアイドル領域及びその近傍からなる領域）Ｒ_４にある場合とでは、上記の低回転低負荷領域Ｒ_３と同様に高負荷帯Ｒ_１に較べ燃料噴射期間が短いので燃料噴射時期は排気行程に設定されるとともに、バルブオーバラップ量は比較的少な目に設定されるようになっている。
【００２４】
領域Ｒ_２でバルブオーバラップ量が比較的少な目に設定されるのは、吸気位相を遅角して吸気弁閉時期ＩＣを遅くすることで、ポンピングロスを低減するとともに実圧縮比を下げノッキングを抑制することで点火時期を進角させることが可能となり、熱効率を向上させ燃費を向上させることができるためである。
また、領域Ｒ_４でバルブオーバラップ量が比較的少な目に設定されるのは、吸気弁閉時期ＩＣの遅角によりポンピングロスを低減するためと、内部ＥＧＲを低減させて燃焼の安定を確保するためである。
【００２５】
ここで、バルブオーバラップ量ＶＯＬが比較的少な目に設定されるとは、バルブオーバラップ量ＶＯＬが、従来エンジンにおいて通常設定されている量（以下、通常量といい、例えばクランク角で３０度程度である）よりも少なく設定されることであり、バルブオーバラップ量ＶＯＬが比較的多めに目に設定されるとは、バルブオーバラップ量ＶＯＬが上記通常量よりも大きく設定されることである。
【００２６】
なお、各運転領域Ｒ_１〜Ｒ_５において、同一領域内ではバルブオーバラップ量を一定としても良いし、例えばエンジン冷却水温などの機関運転状態に応じて変化させるようにしても良い。
【００２７】
本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関は上述したように構成されており、図４及び図５を参照してその作用・効果を説明する。
図４は、機関高負荷時におけるエンジン回転速度Ｎｅと、バルブオーバラップ期間（吸気弁開時期ＩＯから排気弁閉時期ＥＣまでの期間）ＶＯＬ，体積効率及びエンジントルク出力との関係を示す示す模式的なチャートである。図４中の「●」，「○」，「□」及び「△」は実測値であり、「●」は吸排ＶＶＴ（吸気弁及び排気弁にそれぞれ可変バルブタイミング機構が備えられていること）であるとともに燃料噴射完了時期が吸気行程に設定されている場合の実測値、「○」及び「□」は吸排ＶＶＴであるとともに燃料噴射完了時期が排気行程に設定されている場合の実測値、「△」は吸気ＶＶＴ（吸気弁にだけ可変バルブタイミング機構が備えられていること）であるとともに燃料噴射完了時期が排気行程に設定されている場合の実測値である。
【００２８】
この図４からも明らかなように、エンジン回転速度Ｎｅが低い低回転域において、吸排ＶＶＴにより吸気弁開弁時期ＩＯを進角させるとともに排気弁閉時期ＥＣを遅角させて、吸気ＶＶＴにより吸気弁開弁時期ＩＯだけを進角させるよりも長い期間バルブオーバラップを行なったほうが（つまりバルブオーバラップ期間ＶＯＬが長いほど）体積積効率を向上させることができ、高いエンジントルク出力が得られる。
【００２９】
図５は、エンジン高負荷時にバルブオーバラップ量を比較的多めに設定した場合における、燃料噴射完了時期（°ＢＴＤＣ）と、エンジンにかかる各種状態値など〔下から点火時期，排気マニホールド（ＥＸマニ）の集合部における排気温度，エンジン出口における未燃ＨＣ（炭化水素）濃度，体積効率及びエンジン出力トルク〕との関係を示す模式的なチャートであり、図中の「○」は実測値である。バルブオーバラップ量を比較的多めに設定した場合、図示するように、燃料噴射を排気行程中に行なうよりも吸気行程中に行なうほうが、排気弁の開弁状態において、吸気ポートひいてはエンジン外に吹き抜けてしまうＨＣを含む未燃燃料を減少させることができ、これに伴ってエンジントルク出力を増加させるとともに排気温度を低下させることができる。
【００３０】
なお、図示するように、燃料噴射の完了時期を吸気行程に設定した場合において一部点火時期を進角させているが、これは、燃料気化潜熱により吸気が冷却され、ノッキングを抑制できるので、点火時期をＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍａｄｖａｎｃｅｆｏｒｔｈｅＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）に近づけて出力を向上させるためである。
本エンジンでは、上述したように、機関運転状態が高負荷低回転領域にあるときには、バルブオーバラップ量が多めに設定されるとともに燃料噴射時期が吸気行程に設定されるので、上記図３及び図４を参照して説明した実測データから明らかなように、排気脈動の負圧波をバルブオーバラップ中に同期させることで掃気効果により吸気が効果的に行なわれて体積効率を向上させることができ、高負荷のため比較的燃料噴射期間が長く燃料噴射量が多くなるが、この噴射燃料が開弁状態の排気弁を通過して未燃焼まま吸気ポートへ吹き抜けてしまうことを抑制できるようになる。したがって、燃費の悪化を防止しながらエンジン出力を効果的に向上させることができる利点がある。
【００３１】
特に、ここでは、上記の吸気行程における燃料噴射を、排気弁直後に開始し、且つ、吸気行程中期に完了するので、上記の噴射燃料の吹き抜けを確実に防止しながら、燃料噴射から吸気弁が閉弁するまでの時間を比較的長く取れるようになるので噴射燃料を気化させて効率よく筒内へ吸入させることができるようになる。
【００３２】
また、機関運転状態が所定の低負荷低回転領域（エンジン回転速度が低速であってエンジン負荷が低負荷の領域）Ｒ_３にあるときには、バルブオーバラップ量が多めに設定されるので、排気弁開時期ＥＯの遅角による高膨張比化や、排気弁閉時期ＥＣの遅角によるポンプロス低減（内部ＥＧＲ量の増大に伴う新気量の減少によりポンプロスが低減する）が可能となって燃費を低減でき、また、内部ＥＧＲ量が増加するので排気を効果的に浄化できる。
【００３３】
さらに、燃料噴射時期が排気行程に設定されるので、低負荷のため燃料噴射量が少なく燃料噴射期間が短いためバルブオーバラップ期間と燃料噴射期間とが重ならず燃料の吹き抜けを抑制できるとともに、燃料が早めに噴射されることとなるので、吸気行程が開始されるまでの噴射燃料の気化が促進されることから筒内での燃焼を安定させることができる利点がある。
【００３４】
また、機関運転状態が高回転領域にあるときには、バルブオーバラップ量を多目に設定しても排気脈動の負圧波をバルブオーバラップ中に同期させることが困難で掃気効果が得にくいため、掃気よりも吸気の燃焼室内への充填が安定して行なわれるようにバルブオーバラップ量を少な目に設定するようにしており、エンジン出力を向上できるようになる。
【００３５】
なお、本発明の可変バルブタイミング機構付内燃機関は上述の実施形態の限定されず、本発明の趣旨を外れない範囲で種々変更できる。
例えば、上記実施形態では、機関運転状態が高負荷低回転領域Ｒ_１にある場合には燃料噴射時期が吸気行程に設定される一方、機関運転状態がその他の領域Ｒ_２〜Ｒ_５にある場合には燃料噴射時期が排気行程に設定されるようになっているが、機関運転状態が上記領域Ｒ_２〜Ｒ_５にある場合についても燃料噴射時期を吸気行程に設定するようにしても良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の可変バルブタイミング機構付内燃機関によれば、制御手段により、機関運転状態が所定の低回転高負荷領域にある場合には、バルブオーバラップ量が、機関運転状態が高回転領域にある場合よりも大きく設定されると共に燃料噴射装置による燃料噴射時期が吸気行程に設定されるので、排気脈動の負圧波の掃気効果により体積効率を向上させることができる上記低回転高負荷領域の場合には、高負荷のため比較的燃料噴射量が多くなるが、この噴射燃料の吹き抜けを抑制でき、上記掃気効果が得られない上記高回転領域の場合には吸気の充填が効率的に行なわれるようになるので、機関運転状態が高回転領域にある場合のエンジン出力の安定を保持しつつ、機関運転状態が所定の低回転高負荷領域にある場合において、燃費の悪化を防止でき、エンジン出力を効果的に向上させることができる利点がある。
【００３７】
また、制御手段により、上記の吸気行程での燃料噴射が排気弁の閉弁直後に開始するとともに内燃機関の吸気行程中期に終了するように燃料噴射時期が設定されるので、上記の噴射燃料の吹き抜けを確実に防止しながら、燃料噴射から吸気弁が閉弁するまでの時間を比較的長く取れるようになるので噴射燃料を効率よく筒内へ吸入させることができるようになる（請求項２）。
【００３８】
また、機関運転状態が所定の低負荷低回転領域にあるときには、バルブオーバラップ量が多めに設定されるのでポンピングロスひいては燃費を低減できるとともに内部ＥＧＲ量を増大させて排気を効率的に清浄化することができ、また、燃料噴射時期が排気行程に設定されるが、燃料噴射期間が短くバルブオーバラップ期間と重ならないことから燃料の吹き抜けを防止しつつ、噴射燃料の気化を促進して筒内での燃焼を安定させることができる利点がある（請求項３）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関の燃料噴射時期の設定及びバルブオーバラップ量の設定を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関の燃料噴射時期の設定を示す図であって、（ａ）は機関運転状態が低速高負荷領域にある場合の燃料噴射時期設定を示す模式図、（ｂ）は機関運転状態が低速低負荷領域にある場合の燃料噴射時期設定を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関の作用・効果を説明するための模式図である。
【図５】本発明の一実施形態としての可変バルブタイミング機構付内燃機関の作用・効果を説明するための模式図である。
【図６】従来の可変バルブタイミング機構付内燃機関の課題を説明するための図であって、燃料噴射時期設定を示す模式図ある。
【符号の説明】
１エンジン（可変バルブタイミング機構付内燃機関）
５吸気弁
６排気弁
７吸気ポート
８排気ポート
１０インジェクタ（燃料噴射装置）
３０可変バルブタイミング機構
４０ＥＣＵ（制御手段）
４１燃料噴射時期設定手段
４２インジェクタ制御手段
４３バルブオーバラップ量設定手段
４４可変バルブタイミング機構制御手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a variable valve timing mechanism including a variable valve timing mechanism that variably controls a valve overlap amount between an intake valve and an exhaust valve according to an engine operating state, and a fuel injection device that injects fuel into an intake port. The present invention relates to an internal combustion engine provided with the engine.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 is a schematic timing chart showing valve timing and fuel injection timing particularly in an intake port injection type engine as a general automobile engine. As shown in FIG. 6, the intake valve opening timing IO is set earlier than the exhaust valve closing timing EC, and a period in which both the intake valve and the exhaust valve are opened, that is, a so-called valve overlap period is provided, so that intake and exhaust are performed. It is common practice in automobile engines to improve the intake and exhaust efficiency by utilizing the inertia force of the vehicle.
[0003]
Further, in the intake port injection type engine, fuel injected into the intake port is mixed with combustion air during the intake stroke and flows into the combustion chamber. As shown, fuel injection is generally performed in the exhaust stroke as shown. For example, in an engine with a variable valve timing mechanism disclosed in Patent Document 1, fuel injection is completed before opening of an intake valve so that an intake port is disconnected from an exhaust port during fuel injection, and a valve overlap period is set. It is possible to prevent fuel from accumulating in the fuel injection port of the injector (so-called valve deposit) due to the return of the exhaust gas inside and damage to the injector due to heat.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-317209
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As will be described later with reference to FIG. 4 in the embodiment of the present invention, in the intake port injection type engine, the valve overlap period (valve overlap amount) is set longer than a normal period (about 30 degrees in crank angle). By enlarging, when the engine operating state is in a low speed and high load region (a region where the engine rotational speed is low and the engine load is high load), the generation of the negative pressure wave of the exhaust pulsation is synchronized with the valve overlap period. The inventors of the present application have confirmed through experiments that the volumetric efficiency can be improved and the engine output torque can be increased by increasing the scavenging effect and, consequently, the intake air amount.
[0006]
However, when such a setting in which the valve overlap amount is enlarged than usual is applied to the above-mentioned Patent Document 1 in which the fuel injection is completed before the intake valve is opened, the valve overlap amount is increased. Since the scavenging effect during the valve overlap period increases, at high load with a large amount of fuel injection, a large amount of injected fuel blows from the intake port to the exhaust port without burning during the overlap period. There is a possibility that the fuel consumption and fuel consumption will deteriorate.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and when the engine operating state is in a predetermined low-speed high-load region, deterioration of fuel efficiency can be prevented, and engine output can be effectively improved. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as described above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the internal combustion engine with the variable valve timing mechanism according to the first aspect of the present invention, when the engine operating state is in the high-load low-rotation region, the valve overlap amount is set to a relatively large value. Synchronization can be performed during the lap, the scavenging effect allows the intake to be performed effectively, improving the volumetric efficiency, and the high load makes the fuel injection amount relatively large, but the fuel injection timing is set in the intake stroke As a result, the injected fuel burns in the cylinder without blowing to the intake port.
[0009]
In the internal combustion engine with the variable valve timing mechanism according to the second aspect of the present invention, the fuel injection in the above-described intake stroke is started immediately after the exhaust valve is closed, so that the flow of injected fuel to the intake port is reliably prevented. Further, since the fuel injection in the intake stroke is set to end in the middle stage of the intake stroke, the injected fuel is efficiently sucked into the cylinder.
[0010]
In the internal combustion engine with the variable valve timing mechanism according to the third aspect of the present invention, when the engine operating state is in a predetermined low-load low-rotation region, the valve overlap amount is set to be relatively large, so that the pumping loss is reduced. Since the fuel injection timing is set in the exhaust stroke, the fuel injection period is short due to a low load, so that the fuel injection timing does not overlap with the valve overlap period, thereby preventing the fuel from flowing through and preventing the injection of the injected fuel. Vaporization is promoted.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 are views showing an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism (hereinafter also referred to as an engine) as one embodiment of the present invention.
[0012]
The engine 1 of the present embodiment is an intake port injection type engine that is mounted on an automobile and injects fuel into an intake port 7 as shown in FIG. 1, and has an effective rotational speed Ne and an effective pressure indicating an engine load state. A variable valve timing mechanism (VVT) 30 that variably controls a valve overlap amount between the intake valve 5 and the exhaust valve 6 according to an engine operating state such as Pe is provided.
[0013]
Hereinafter, the present engine will be further described. As shown in FIG. 1, a spark plug 11 is provided for each cylinder 3 in a cylinder head 2 of the engine 1, and a crankshaft (not shown in the drawing) is provided in the cylinder 3. ) Is provided. The cylinder head 2 is formed with the intake port 7 that can communicate with the combustion chamber 4 via an intake valve 5 and the exhaust port 8 that can communicate with the combustion chamber 4 via an exhaust valve 6. Each of the intake ports 7 is provided with an injector (fuel injection device) 10, and fuel is injected into the intake port 7 by the injector 10 as described above.
[0014]
Further, the variable valve timing mechanisms 30 are provided between the camshafts 20 and 21 and the intake valves 5 and the exhaust valves 6 as described above, and the variable valve timing mechanisms 30 drive the intake valves 5. By changing the phase of the cam 20a with respect to the crankshaft and the phase of the cam 21a for driving the exhaust valve 6 with respect to the crankshaft, the valve opening timing of the intake valve 5 and the valve closing timing of the exhaust valve 6 are changed, thereby causing valve overlap. The amount can be variably controlled. Various known elements can be applied to the variable valve timing mechanism 30, and a description thereof will be omitted. However, the variable valve timing mechanism 30 may be of a type that can continuously change the opening and closing valve timing of the intake and exhaust valves 5 and 6. The timing may be selected from a plurality of settings and switched. Although the variable valve timing mechanism 30 is provided in each of the intake and exhaust valves 5 and 6 here, the variable valve timing mechanism 30 is provided in only one of the intake and exhaust valves 5 and 6. May be.
[0015]
The intake system includes an air cleaner (not shown), an intake pipe 7A, a surge tank 7B, an intake manifold 7C, and the like from the upstream side. The intake port 7 is provided at a downstream end of the intake manifold 7C. ing. The intake system further includes a throttle valve 71 for adjusting the amount of air flowing into the combustion chamber 4 according to the accelerator opening, an air flow sensor 72 for detecting an intake air flow rate, and a throttle valve for the throttle valve 71. A throttle position sensor 73 for detecting the opening is provided.
[0016]
The exhaust system provided with an exhaust manifold 8A having an exhaust port 8, also including a three-way catalyst and the O ₂ sensor for exhaust gas purification (not shown) is installed.
In addition, this engine 1, not shown, such as an accelerator position sensor for detecting the crank angle sensor and the accelerator opening theta _A for detecting the engine rotational speed Ne is equipped.
[0017]
In order to control the operation of each engine control element such as the spark plug 11 and the injector 10, an ECU 40 having a function as control means of the internal combustion engine is provided. The ECU 40 is provided with an input / output device, a storage device for storing a control program, a control map, and the like, a central processing unit, a timer and a counter, and the like, based on detection information from the various sensors described above. The ECU 40 controls each of the above-described engine control elements.
[0018]
The ECU 40 includes a fuel injection timing setting means 41 for setting the fuel injection timing, and an injector control for controlling the operation of the injector 10 so as to inject fuel at the fuel injection timing set by the fuel injection timing setting means 41. A means 42, a valve overlap amount setting means 43 for setting the valve overlap amount, and a variable valve timing mechanism control means 44 for controlling the variable valve timing mechanism 30 so that the valve overlap amount is provided. .
[0019]
Fuel injection timing setting means 41 and the valve overlap amount setting means 43, both the engine speed Ne, and the effective pressure Pe indicating an engine load condition (calculated from the engine rotational speed Ne and the accelerator opening theta _A) Based on this, the fuel injection timing or the valve overlap amount is set.
[0020]
Specifically, the fuel injection timing and the valve overlap amount are set according to the engine operating state as shown in the map of FIG.
In other words, the engine rotational speed Ne is, the predetermined rotational speed Ne ₂ (e.g. 2500～3500Rpm) high rotation region _{R 5} higher than, the hard scavenging effect to synchronize the generation of the negative pressure wave of exhaust pulsation in the valve overlap period to obtain Since the valve overlap amount is set to a relatively small value so that the intake air can be effectively filled, and the valve overlap amount is set to a relatively small value as described above, fuel is injected early. However, since it is expected that little fuel will flow into the exhaust passage without being burned, the fuel injection timing is set in the exhaust stroke so that the vaporized period of the injected fuel can be extended. I have.
[0021]
Further, the engine rotational speed Ne is, the higher low-speed and high-load region _{R 1} than the predetermined rotational speed Ne ₂ or less was it effective pressure Pe predetermined pressure Pe ₃ (e.g. 850KPa), at low rotation (lower engine speed During the valve overlap period, when the fuel injection timing is set to the exhaust stroke, the valve overlap amount is set to be relatively large because a high scavenging effect can be obtained. Since the amount of unburned fuel flowing into the passage increases, the fuel injection timing is set to the intake stroke. Here, as shown in FIG. 3A, the fuel injection timing in this intake stroke is such that the fuel injection is started immediately after the exhaust valve closes EC and the intake stroke is in the middle stage [for example, after top dead center (ATDC). The crank angle is set to 90 to 120 degrees), and the fuel injection is completed as early as possible to stably vaporize the injected fuel while reliably preventing blow-through of the injected fuel. It can be supplied into the cylinder.
[0022]
Further, the engine operating condition, the low-speed low-load region excluding the region R ₄ described later effective pressure Pe lower than a predetermined rotational speed Ne ₂ of the above a region lower than a predetermined pressure Pe 2 _(e.g. 500 KPa) in R _3, the valve overlap amount is relatively set large because it can reduce the pumping loss, the fuel injection period compared to the high load band R ₁ is shorter by setting the fuel injection timing in the exhaust stroke fuel injection And the valve overlap are not performed at the same time, the fuel injection timing is set in the exhaust stroke so that the vaporization time of the injected fuel can be increased (see FIG. 3B).
[0023]
Further, the engine operating condition, when in the other region of the low rotation region, that is, the case where the effective pressure Pe is at a predetermined pressure Pe ₂ or more and load region R ₂ within a predetermined pressure Pe ₃ below, effective pressure Pe Is lower than a predetermined pressure Pe ₁ (for example, 250 KPa) and the engine rotation speed Ne is lower than a predetermined rotation speed Ne ₁ (for example, 1750 rpm), and the effective pressure Pe is lower than a predetermined pressure Pe ₀ (for example, 100 KPa). there in the case at a predetermined rotational speed Ne 1 _~ given rotation speed Ne ₂ regions combined area in (ie idle region and the region thereof consisting vicinity) R _4, as with the low speed and low load region R ₃ above since the fuel injection period compared to the high load band R ₁ is shorter with the fuel injection timing is set to the exhaust stroke, the valve overlap amount is relatively fewer in It is adapted to be constant.
[0024]
Is the valve overlap amount is set relatively fewer in region R _2, by slowing down the intake valve closing timing IC by retarding the intake phase, knocking down the actual compression ratio while reducing a pumping loss This is because the suppression makes it possible to advance the ignition timing, thereby improving thermal efficiency and improving fuel efficiency.
Further, the valve overlap amount is set relatively fewer in the region R _4, to ensure the order to reduce the pumping loss by retarding the intake valve closing timing IC, and stability of the combustion by reducing the internal EGR That's why.
[0025]
Here, that the valve overlap amount VOL is set to a relatively small value means that the valve overlap amount VOL is an amount normally set in a conventional engine (hereinafter referred to as a normal amount, for example, about 30 degrees in crank angle). ), And that the valve overlap amount VOL is set to a relatively large value means that the valve overlap amount VOL is set to be larger than the normal amount.
[0026]
In each of the operation regions R _{1 to} R ₅ , the valve overlap amount may be constant within the same region, or may be changed according to the engine operation state such as the engine cooling water temperature.
[0027]
An internal combustion engine with a variable valve timing mechanism according to an embodiment of the present invention is configured as described above, and the operation and effects thereof will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the engine rotational speed Ne at a high engine load, the valve overlap period (the period from the intake valve opening timing IO to the exhaust valve closing timing EC) VOL, volumetric efficiency, and engine torque output. It is a typical chart. In FIG. 4, “●”, “，”, “□”, and “実” are actual measurement values, and “●” indicates intake / exhaust VVT (the intake valve and the exhaust valve each have a variable valve timing mechanism). And the actual measurement values when the fuel injection completion timing is set to the intake stroke, and “○” and “□” are the intake and exhaust VVT and the actual measurement values when the fuel injection completion timing is set to the exhaust stroke, “△” is an intake VVT (a variable valve timing mechanism is provided only in the intake valve) and is a measured value when the fuel injection completion timing is set in the exhaust stroke.
[0028]
As is apparent from FIG. 4, in the low engine speed range where the engine speed Ne is low, the intake valve opening timing IO is advanced by the intake / exhaust VVT, and the exhaust valve closing timing EC is retarded. Performing the valve overlap for a longer period of time (that is, as the valve overlap period VOL is longer) can improve the volumetric product efficiency and achieve a higher engine torque output than advancing only the valve opening timing IO.
[0029]
FIG. 5 shows the fuel injection completion timing (° BTDC) and various state values related to the engine [ignition timing, exhaust manifold (EX manifold) from the bottom, when the valve overlap amount is set relatively large at the time of high engine load. ) Is a schematic chart showing the relationship between the exhaust gas temperature at the collecting portion, the unburned HC (hydrocarbon) concentration at the engine outlet, the volumetric efficiency and the engine output torque], and “「 ”in the figure is an actually measured value. . When the valve overlap amount is set to be relatively large, as shown in the figure, it is better to perform fuel injection during the intake stroke than during the exhaust stroke. Thus, unburned fuel containing HC can be reduced, so that the engine torque output can be increased and the exhaust gas temperature can be lowered.
[0030]
As shown in the figure, when the completion timing of the fuel injection is set to the intake stroke, the ignition timing is partially advanced, but this is because the intake air is cooled by fuel vaporization latent heat and knocking can be suppressed, This is because the ignition timing is made closer to MBT (Minimum advance for the Best Torque) to improve the output.
As described above, in the present engine, when the engine operating state is in the high-load low-speed range, the valve overlap amount is set to a relatively large value and the fuel injection timing is set to the intake stroke. As is apparent from the actual measurement data described with reference to FIG. 4, by synchronizing the negative pressure wave of the exhaust pulsation during the valve overlap, the scavenging effect allows the intake to be performed effectively, thereby improving the volumetric efficiency. Due to the high load, the fuel injection period is relatively long and the fuel injection amount is large. However, it is possible to prevent the injected fuel from passing through the exhaust valve in an open state and flowing into the intake port without burning. Therefore, there is an advantage that the engine output can be effectively improved while preventing deterioration of fuel efficiency.
[0031]
In particular, here, the fuel injection in the intake stroke starts immediately after the exhaust valve and is completed in the middle stage of the intake stroke. Since the time until the valve closes can be relatively long, the injected fuel can be vaporized and efficiently taken into the cylinder.
[0032]
Further, since the engine operating condition is a predetermined low-load low-rotation range (the engine load is the engine rotational speed to a low speed low load region) when in R _3, the valve overlap amount is set large, the exhaust valve A high expansion ratio can be achieved by retarding the opening timing EO, and a pump loss can be reduced by retarding the exhaust valve closing timing EC (a pump loss can be reduced due to a decrease in the amount of fresh air accompanying an increase in the internal EGR amount), thereby reducing fuel consumption. The exhaust gas can be effectively purified because the internal EGR amount increases.
[0033]
Further, since the fuel injection timing is set in the exhaust stroke, the fuel injection amount is small due to the low load, and the fuel injection period is short, so that the valve overlap period and the fuel injection period do not overlap, thereby suppressing fuel blow-through. Since the fuel is injected earlier, the vaporization of the injected fuel until the start of the intake stroke is promoted, so that there is an advantage that the combustion in the cylinder can be stabilized.
[0034]
Further, when the engine operating state is in the high rotation region, it is difficult to synchronize the negative pressure wave of the exhaust pulsation during the valve overlap even if the valve overlap amount is set to a large value, and it is difficult to obtain the scavenging effect. The valve overlap amount is set smaller so that the intake air is more stably charged into the combustion chamber, so that the engine output can be improved.
[0035]
The internal combustion engine with a variable valve timing mechanism of the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously changed without departing from the gist of the present invention.
For example, in the above embodiment, while the fuel injection timing is set to the intake stroke when the engine operating condition is in the high-load low-rotation range R _1, when the engine operating condition is in other area R ₂ to R ₅ Although the fuel injection timing is adapted to be set in the exhaust stroke, the engine operating state may be set to the intake stroke of the fuel injection timing is also the case in the region R ₂ to R _5.
[0036]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the internal combustion engine with the variable valve timing mechanism according to the first aspect of the present invention, when the engine operating state is in the predetermined low rotation high load region, the valve overlap is controlled by the control means. Since the amount is set larger than when the engine operation state is in the high rotation region and the fuel injection timing by the fuel injection device is set in the intake stroke, the volume efficiency is improved by the scavenging effect of the negative pressure wave of the exhaust pulsation. In the case of the low-rotation high-load region, the fuel injection amount is relatively large due to the high load, but the blow-through of the injected fuel can be suppressed, and in the high-rotation region where the scavenging effect cannot be obtained. In this case, the intake of air is efficiently performed, so that the engine operation state is maintained at a predetermined low rotation speed and high load area while maintaining the stability of the engine output when the engine operation state is in the high rotation area. In the case in, can prevent the deterioration of fuel consumption, there is an advantage that it is possible to effectively improve the engine output.
[0037]
Further, the control means sets the fuel injection timing such that the fuel injection in the intake stroke starts immediately after the exhaust valve closes and ends in the middle of the intake stroke of the internal combustion engine. Since the time from fuel injection to the closing of the intake valve can be made relatively long while reliably preventing blow-through, the injected fuel can be efficiently taken into the cylinder. .
[0038]
Also, when the engine operating state is in a predetermined low-load low-rotation region, the valve overlap amount is set to a relatively large amount, so that pumping loss and, consequently, fuel consumption can be reduced, and the internal EGR amount is increased to efficiently purify exhaust gas. Although the fuel injection timing is set in the exhaust stroke, the fuel injection period is short and does not overlap with the valve overlap period. There is an advantage that combustion in the inside can be stabilized (claim 3).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a setting of a fuel injection timing and a setting of a valve overlap amount of an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as one embodiment of the present invention.
3A and 3B are diagrams showing setting of fuel injection timing of an internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as one embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A shows fuel injection when the engine operating state is in a low speed and high load region. FIG. 4B is a schematic diagram showing the timing setting, and FIG. 4B is a schematic diagram showing the fuel injection timing setting when the engine operating state is in a low speed and low load region.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation and effect of the internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation and effect of the internal combustion engine with a variable valve timing mechanism as one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a problem of a conventional internal combustion engine with a variable valve timing mechanism, and is a schematic diagram showing fuel injection timing setting.
[Explanation of symbols]
1 engine (internal combustion engine with variable valve timing mechanism)
5 intake valve 6 exhaust valve 7 intake port 8 exhaust port 10 injector (fuel injection device)
30 variable valve timing mechanism 40 ECU (control means)
41 fuel injection timing setting means 42 injector control means 43 valve overlap amount setting means 44 variable valve timing mechanism control means

Claims

An internal combustion engine with a variable valve timing mechanism, comprising: a variable valve timing mechanism that variably controls a valve overlap amount between an intake valve and an exhaust valve according to an engine operating state; and a fuel injection device that injects fuel into an intake port. ,
When the engine operation state is in the predetermined low rotation high load region, the valve overlap amount is set to be larger than when the engine operation state is in the high rotation region, and the fuel injection timing by the fuel injection device is set. An internal combustion engine with a variable valve timing mechanism, comprising control means for setting an intake stroke.

The control means sets the fuel injection timing in the intake stroke so that fuel injection starts immediately after closing of the exhaust valve and ends in the middle stage of the intake stroke of the internal combustion engine. Item 2. An internal combustion engine with a variable valve timing mechanism according to Item 1.

The control means sets the valve overlap amount larger when the engine operation state is in a predetermined low-speed low-load region than in the high-speed region and sets the fuel injection timing in the exhaust stroke. 3. The internal combustion engine with a variable valve timing mechanism according to claim 1, wherein the internal combustion engine is set.