内燃機関
【課題】吸気バルブへの燃料の付着を減少させること
【解決手段】吸気ポート１１ｂ又は／及び燃焼室ＣＣに燃料を噴射する燃料噴射装置４１と、この燃料噴射装置４１から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブ３１と、を備えた内燃機関において、その吸気バルブ３１の温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段（電子制御装置１）と、燃料噴射装置４１からの燃料の流動経路上に吸気バルブ３１の高温部分を移動させるべく当該吸気バルブ３１をバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段３２と、を設けること。
【解決手段】吸気ポート１１ｂ又は／及び燃焼室ＣＣに燃料を噴射する燃料噴射装置４１と、この燃料噴射装置４１から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブ３１と、を備えた内燃機関において、その吸気バルブ３１の温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段（電子制御装置１）と、燃料噴射装置４１からの燃料の流動経路上に吸気バルブ３１の高温部分を移動させるべく当該吸気バルブ３１をバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段３２と、を設けること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に吸気バルブが存在している内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関においては、機関回転数等の様々な運転条件に応じた良好な燃焼を実現させる為に、その運転条件に応じた空燃比の混合気を燃焼室内に形成させるべく種々の制御が為されている。
【０００３】
尚、下記の特許文献１には、吸気バルブの温度の均一化と低減化を図る為に当該吸気バルブの周方向への回転を促進させる技術が開示されている。また、下記の特許文献２には、バルブ本体のフェースとバルブシートにおけるカーボン等の固形物の介在の防止を目的として、バルブステムに螺旋溝を設け、バルブの往復運動に連動させてバルブ本体を周方向に回転させる技術が開示されている。また、下記の特許文献３，４には、バルブやその関連部品の偏磨耗の抑制を目的として、バルブを周方向に回転させる技術が開示されている。その特許文献４においては、電磁駆動手段によってバルブを回転させている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１４０１４号公報
【特許文献２】実開昭６３−１１８３１４号公報
【特許文献３】特開平８−２１２１３号公報
【特許文献４】特開平８−１３５４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の内燃機関においては、燃料噴射装置からの噴霧燃料の一部が気化されずに吸気バルブ（特に、その傘部）に付着してしまうので、上記の運転条件に応じた空燃比よりも実際の空燃比は希薄になり、その乖離幅を考慮に入れた上で補正等して空燃比制御を行わなければ、その運転条件に応じた良好な燃焼を実現することができない。従って、この従来の内燃機関においては、応答遅れが発生するなど空燃比制御性が悪く、これ以外の燃焼制御等によって燃焼状態を良好なものにしなければならなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、吸気バルブへの燃料の付着を減少させることが可能な内燃機関を提供することを、その目的とする。
【０００７】
尚、上記特許文献１には吸気バルブの一部分の温度が特に高くなると不正燃焼の原因になる旨記載されているが、その不正燃焼の具体的な原因が如何なるものであるのか、更には、吸気バルブの回転によって如何様にして温度の均一化と低減化が図られるのかについて何ら開示されていない。しかしながら、かかる特許文献１の発明は、吸気バルブの温度の均一化と低減化を目的としたものであり、後述する本発明における高温部分を利用した燃料の気化促進との観点とは大きく相違するので、本発明とは目的が異なる。また、上記特許文献２〜４についても目的が本発明とは相違する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸気ポート又は／及び燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、この燃料噴射装置から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブと、を備えた内燃機関において、その吸気バルブの温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段と、燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に吸気バルブの高温部分を移動させるべく当該吸気バルブをバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段と、を設けている。
【０００９】
この請求項１記載の内燃機関においては、吸気バルブの高温部分に噴霧燃料が当たり、その燃料が吸気バルブの高温部分で気化されるので、吸気バルブへの液状の燃料の付着が減少する。
【００１０】
また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の内燃機関において、燃料噴射装置の燃料噴射時期に合わせて吸気バルブの回転動作を実行させるべくバルブ回転手段を構成している。
【００１１】
この請求項２記載の内燃機関においては、例えば、燃料噴射開始前に吸気バルブを回転させれば確実に吸気バルブの高温部分へと噴霧燃料が当たるようになり、吸気バルブへの液状の燃料の付着を確実に減少させることができる。また、この内燃機関においては、例えば、燃料噴射期間中に吸気バルブを回転させれば、噴霧燃料がより多くの高温部分に当たるので気化され易くなり、吸気バルブへの液状の燃料の付着を効率良く減少させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る内燃機関においては、吸気バルブに当たった噴霧燃料がその高温部分を利用して気化され、これが燃焼室内に混合気として送られる。これが為、この内燃機関においては、吸気バルブへの液状の燃料の付着が減少し、運転条件に応じた空燃比に実際の空燃比を近づけることが可能になるので、その運転条件に応じた良好な燃焼を実現することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
本発明に係る内燃機関の実施例１を図１から図４に基づいて説明する。
【００１５】
この内燃機関は、図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）１によって燃焼制御等が行われる。その電子制御装置１は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置），所定の制御プログラム等を予め記憶しているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ），ＣＰＵの演算結果を一時記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ），予め用意された情報等を記憶するバックアップＲＡＭ等で構成されている。
【００１６】
最初に、ここで例示する内燃機関の構成についての説明を行う。
【００１７】
この内燃機関には、燃焼室ＣＣを形成するシリンダヘッド１１，シリンダブロック１２及びピストン１３が備えられている。ここで、そのシリンダヘッド１１とシリンダブロック１２は図１に示すヘッドガスケット１４を介してボルト等で締結されており、これにより形成されるシリンダヘッド１１の下面の凹部１１ａとシリンダブロック１２のシリンダボア１２ａとの空間内にピストン１３が往復移動可能に配置される。そして、上述した燃焼室ＣＣは、そのシリンダヘッド１１の凹部１１ａの壁面とシリンダボア１２ａの壁面とピストン１３の頂面１３ａとで囲まれた空間によって構成される。
【００１８】
その燃焼室ＣＣには、図１に示す吸気通路２１とシリンダヘッド１１の吸気ポート１１ｂを介して外部からの空気が導入される。
【００１９】
ここで、その吸気通路２１上には、導入した外部の空気から塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２２と、外部からの吸入空気量を検出するエアフロメータ２３と、が設けられている。この内燃機関においては、そのエアフロメータ２３の検出信号が電子制御装置１へと送られ、この電子制御装置１においてその検出信号に基づき外部からの吸入空気量が算出される。
【００２０】
また、吸気通路２１上におけるエアフロメータ２３よりも下流側には、燃焼室ＣＣ内への吸入空気量を調節するスロットルバルブ２４と、このスロットルバルブ２４を開閉駆動するスロットルバルブアクチュエータ２５と、が設けられている。電子制御装置１は、そのスロットルバルブアクチュエータ２５に対してスロットルバルブ２４の開弁角度の制御指令を行い、その開弁角度に応じた所望の吸入空気量を燃焼室ＣＣ内へと吸入させる。この内燃機関においては、そのスロットルバルブ２４の開度を検出するスロットル開度センサ２６が設けられており、このスロットル開度センサ２６の検出信号が電子制御装置１へと送られる。
【００２１】
一方、吸気ポート１１ｂはその一端が燃焼室ＣＣに開口しており、その開口部分に当該開口を開閉させ得る吸気バルブ３１が配設されている。例えば、この吸気バルブ３１は、図示しない吸気側カムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動する。この内燃機関においては、その吸気バルブ３１を開弁させることによって吸気ポート１１ｂから燃焼室ＣＣ内に空気が吸入される一方、その吸気バルブ３１を閉弁させることによって燃焼室ＣＣ内への空気の流入が遮断される。尚、その吸気ポート１１ｂにおける燃焼室ＣＣ内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に吸気バルブ３１が配備される。
【００２２】
更に、本実施例１の内燃機関においては、その吸気ポート１１ｂ内に燃料を噴射する燃料噴射装置４１が配備されている。この燃料噴射装置４１は、電子制御装置１によって燃料噴射量，燃料噴射時期及び燃料噴射期間等が制御される。例えば、その電子制御装置１は、内燃機関の運転条件等に応じてスロットルバルブアクチュエータ２５の開弁角度と燃料噴射装置４１の燃料噴射量等を制御し、これにより生成された空気と燃料の混合気を燃焼室ＣＣ内に吸入させる。
【００２３】
この電子制御装置１は、図１に示す点火プラグ５１の点火時期を制御して、燃焼室ＣＣ内に形成された混合気への点火を実行させる。これにより、この内燃機関においては、燃焼動作が開始される。そして、燃焼後の筒内ガスは、燃焼室ＣＣから図１に示す排気ポート１１ｃへと排出される。ここで、この排気ポート１１ｃには、燃焼室ＣＣとの間の開口を開閉させ得る排気バルブ６１が配設されている。例えば、この排気バルブ６１は、図示しない排気側カムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動する。これが為、その排気バルブ６１を開弁させることによって燃焼室ＣＣ内から排気ポート１１ｃに燃焼後の筒内ガスが排出され、その排気バルブ６１を閉弁させることによって筒内ガスの排気ポート１１ｃへの排出が遮断される。尚、その排気ポート１１ｃにおける燃焼室ＣＣ内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した排気バルブ６１が配備される。
【００２４】
また更に、本実施例１の内燃機関には、クランクシャフト１５の回転角度を検出するクランク角センサ７１及び冷却水の温度を検出する水温センサ７２等の各種センサが設けられている。これら各種センサの検出信号についても夫々電子制御装置１に送られる。
【００２５】
ところで、燃焼室ＣＣ内の混合気は、機関回転数や負荷等の様々な運転条件で良好な燃焼制御を実行させるべく、その運転条件等に応じて要求された最良の空燃比となるよう緻密に制御される。以下においては、その空燃比を「要求空燃比」という。
【００２６】
しかしながら、燃料噴射装置４１から噴射された噴霧燃料の一部が気化されぬまま吸気バルブ３１（特に、その傘部）に付着してしまうので、実際に生成された混合気の空燃比が要求空燃比よりも希薄になり、このままでは運転条件に対応させた所望の燃焼を行うことができない。これが為、実際には、例えば、排気ガス中の残存酸素量等から実際に生成された空燃比を推測し、フィードバック制御によって実際の空燃比を要求空燃比に補正しなければならないので、応答遅れが発生するなど空燃比制御性が悪い。
【００２７】
一方、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料は予め定められた噴霧角や噴射角度で噴射されるので既定の流動経路しか辿らず、また、吸気バルブ３１はバルブステムの軸線方向に往復移動するのみであるので、その吸気バルブ３１には、略固定された位置に液状の燃料が付着する。そして、通常の内燃機関においては吸気バルブ３１の全体（特に、その傘部の全体）に均等に液状の燃料が付着するわけではないので、その吸気バルブ３１の温度分布は、多くの場合不均一になっている。即ち、吸気バルブ３１は、液状の燃料の付着箇所において燃料の気化潜熱で温度が低下させられるので、その付着量の多少にも影響されるが、その付着箇所と未付着箇所とで温度差が生じてしまう可能性がある。
【００２８】
そこで、本実施例１にあっては、バルブステムの軸線を中心にして吸気バルブ３１を回転させ、その吸気バルブ３１の中でも相対的に高温となっている部分に噴霧燃料を当てて液状の燃料の付着を減少させるべく、以下のように構成する。ここでは、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料の流動経路上に吸気バルブ３１の傘部の一部分が存在しているものとして説明する。
【００２９】
この内燃機関においては、その吸気バルブ３１をバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段３２を設ける。このバルブ回転手段３２としては、例えば、電動モータの駆動力や油圧発生装置の油圧等をバルブステムの軸線中心の回転力として伝達する駆動装置などが考えられる。
【００３０】
このバルブ回転手段３２は、電子制御装置１によって駆動制御させる。
【００３１】
ここで、閉弁状態のときに吸気バルブ３１を回転させた場合には、その傘部とバルブシート（シートリング）との間に磨耗が発生し、また、その間の摩擦に伴ってバルブ回転手段３２の駆動力を無駄に高めなければならないので好ましくない。これが為、本実施例１にあっては、吸気バルブ３１が開弁状態（例えば、吸気行程）のときにバルブ回転手段３２を駆動させる。その際、バルブ回転手段３２の駆動時期か否かについては、吸気バルブ３１の開弁状態（吸気行程）を判断し得る周知の技術を利用して判定する。例えば、本実施例１の如き内燃機関の場合、電子制御装置１は、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１の開弁状態（吸気行程）を判断することができる。また、吸気バルブ３１の開閉時期やリフト量を可変させ得る所謂可変バルブタイミング＆リフト機構が配備された内燃機関の場合、電子制御装置１は、その可変バルブタイミング＆リフト機構に対する吸気バルブ３１の開弁指令から判断することができる。
【００３２】
具体的に、本実施例１の電子制御装置１は、例えば、予め定めた所定の回転角度で吸気バルブ３１を回転させるように設定することができる。その際の所定の回転角度としては、吸気バルブ３１の傘部における燃料の付着面積を予め実験やシミュレーションから求め、少なくとも燃料の未付着箇所を燃料の流動経路上まで移動させ得るだけの角度に設定する。尚、燃料の未付着箇所よりも付着箇所の範囲内に相対的な高温部分が存在している場合には、その高温部分まで移動させる角度を回転角度として設定する。
【００３３】
これにより、本実施例１の内燃機関においては、吸気バルブ３１の傘部の相対的な高温部分に噴霧燃料が当たるようになるので、この高温部分に接した燃料の気化が促進され、その傘部への液状の燃料の付着を減少させることができる。従って、この内燃機関においては、その傘部に当たって気化した燃料についても空気と混合させて燃焼室ＣＣ内に送れるので、その燃焼室ＣＣ内に形成された混合気の実際の空燃比を要求空燃比に近づけることができる。これが為、この内燃機関は、その要求空燃比への補正が不要になる又は補正量が軽減されるので、空燃比制御性が向上し、運転条件に応じた良好な燃焼制御を実行することができるようになる。
【００３４】
ところで、上述したバルブ回転手段３２は、図示しないが、吸気バルブ３１のバルブステムの外周面に形成した螺旋状の溝と、この螺旋状の溝に連通し且つそのバルブステムの外周面に形成した軸線方向の溝と、そのバルブステムの外周面と対向する内周面に突起が形成された筒体と、を備えて構成することができる。かかるバルブ回転手段３２は、吸気バルブ３１が上昇（又は下降）する際に筒体の突起を螺旋状の溝に沿わせて上記の所定の回転角度で回転させ、吸気バルブ３１が下降（又は上昇）する際にその突起を軸線方向の溝に沿わせて回転させないように設定したものである。これにより、電子制御装置１による制御や電動モータ等が不要になるので、吸気バルブ３１の傘部への液状の燃料の付着を減少させつつシステムの簡素化を図ることができる。
【００３５】
ここで、吸気バルブ３１は、多くの状況下でその温度分布が不均等になっているものとの仮定を前提にして吸気行程毎に少なくとも１度ずつ回転させてもよいが、燃料噴射量や筒内圧如何ではその温度分布が均等になっており、あえて回転させる必要がないとの状況も考えられる。これが為、吸気バルブ３１については、その温度分布を知った上で回転させることが好ましい。従って、本実施例１にあっては、吸気バルブ３１の傘部の温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段を設ける。そのバルブ温度測定手段やバルブ温度推定手段は、電子制御装置１の一機能として配備する。
【００３６】
バルブ温度測定手段については、例えば、図２に示す如く、吸気バルブ３１の傘部３１ａに周方向に等間隔で埋設した複数の熱電対等の温度センサ７３の検出信号から測定させる。ここでは、その傘部３１ａを周方向にて４つに区画し、その４つのセル３１ａ1〜３１ａ4に温度センサ７３を各々埋設する。
【００３７】
また、バルブ温度推定手段については、例えば、その夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4の熱収支から当該各セル３１ａ1〜３１ａ4の温度を求め、これにより傘部３１ａの温度分布を推定させる。
【００３８】
具体的に、このバルブ温度推定手段は、機関始動直後や電子制御装置１がイグニッションＯＮ信号を検知した後に、図３のフローチャートに示す如く各セル３１ａ1〜３１ａ4の初期温度Ｔｖを各々算出する（ステップＳＴ１）。その際の吸気バルブ３１やシリンダヘッド１１等は冷却水と同等の温度になっているものと推定できるので、バルブ温度推定手段は、水温センサ７２の検出信号から冷却水温度Ｔｗを求め、これを各セル３１ａ1〜３１ａ4の初期温度Ｔｖとして設定する。
【００３９】
続いて、このバルブ温度推定手段は、後の工程で用いる各種状態量を取得する（ステップＳＴ２）。その状態量としては、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度等を取得する。
【００４０】
そして、このバルブ温度推定手段は、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１が開弁状態であるか閉弁状態であるかについて判断する（ステップＳＴ３）。
【００４１】
ここで、吸気バルブ３１が開弁状態にあれば、バルブ温度推定手段は、その吸気バルブ３１（特に、傘部３１ａ）の近傍においてのガスの流動方向を判断する（ステップＳＴ４）。そのガスとは、大別すれば、燃焼室ＣＣに吸入される空気（混合気）と燃焼室ＣＣから逆流する筒内ガス（燃焼ガス）とがある。従って、このバルブ温度推定手段は、例えば、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度に基づいて、吸気行程中のバルブオーバーラップ期間以外と判定した場合にガスの流動方向を順流（空気の吸入）と判断し、吸気行程中のバルブオーバーラップ期間と判定した場合にガスの流動方向を筒内ガスの逆流と判断する。
【００４２】
バルブ温度推定手段は、そのステップＳＴ４にて「順流」と判断した場合、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面においての順流時ガス（空気、混合気）との熱伝達を求める（ステップＳＴ５）。かかる場合のバルブ温度推定手段は、その順流時ガスの温度Ｔｇ，順流時ガスの圧力，順流時ガスの流速及び順流時ガスの熱伝達率等に基づいて、夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4への順流時ガス（空気、混合気）からの入出力エネルギを算出する。その順流時ガスの温度Ｔｇとしては、例えば外気温等の情報を利用することができる。また、その順流時ガスの圧力としては、吸気ポート１１ｂ等の内部圧力の情報を利用することができる。また、その順流時ガスの流速としては、機関回転数や吸入空気量、吸気バルブ３１の開閉時期の情報を利用して求めることができる。尚、そのステップＳＴ４にて「逆流」と判断した場合には、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面においての逆流時ガス（筒内ガス）との熱伝達を同様にして求める（ステップＳＴ１２）。
【００４３】
また、このバルブ温度推定手段は、これと同様にして各セル３１ａ1〜３１ａ4の燃焼室ＣＣ側表面においての筒内ガスとの熱伝達，即ち、夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4への筒内ガスからの入出力エネルギを求める（ステップＳＴ６）。
【００４４】
更に、このバルブ温度推定手段は、各セル３１ａ1〜３１ａ4においての燃料が蒸発した際の気化潜熱を求め（ステップＳＴ７）、また、その各セル３１ａ1〜３１ａ4における隣接するセルとの間の熱伝達を求める（ステップＳＴ８）。
【００４５】
そして、このバルブ温度推定手段は、上記の各熱伝達と気化潜熱に基づいて各セル３１ａ1〜３１ａ4の熱収支を算出し（ステップＳＴ９）、夫々の温度Ｔｖを更新する（ステップＳＴ１０）。
【００４６】
このバルブ温度推定手段は、機関停止状態か否か判断し（ステップＳＴ１１）、停止していれば本処理動作を終了し、停止していなければ上記のステップＳＴ２に戻る。
【００４７】
一方、上記のステップＳＴ３において「閉弁」との判断が為された場合、バルブ温度推定手段は、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面における吸気ポート１１ｂ内のガス（空気、混合気）との熱伝達を求め（ステップＳＴ１３）、更に、その各セル３１ａ1〜３１ａ4におけるバルブシート接触面との熱伝達を求める（ステップＳＴ１４）。そして、上記のステップＳＴ６に進む。
【００４８】
このバルブ温度推定手段は、上記の動作を繰り返して各セル３１ａ1〜３１ａ4の温度を推定する。
【００４９】
以下に、本実施例１の内燃機関の電子制御装置１による処理動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５０】
先ず、本実施例１の電子制御装置１は、上述したバルブ温度測定手段又はバルブ温度推定手段によって、吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布を測定又は推定し（ステップＳＴ２０）、その温度分布が均等であるか否か（即ち、各セル３１ａ1〜３１ａ4の間に温度差があるか否か）を判断する（ステップＳＴ２５）。
【００５１】
ここで、この電子制御装置１は、温度分布が不均等であると判断した場合、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１が開弁状態であるか閉弁状態であるかを判断する（ステップＳＴ３０）。
【００５２】
そして、この電子制御装置１は、吸気バルブ３１が開弁状態にあれば、バルブ回転手段３２を駆動制御して吸気バルブ３１を上記の所定の回転角度まで回転させる（ステップＳＴ３５）。これにより、吸気バルブ３１の傘部３１ａにおいて相対的に高温になっている部分が燃料の流動経路上まで移動させられるので、上述したが如くその傘部３１ａへの液状の燃料の付着を減少させることができる。従って、この内燃機関においては、空燃比制御性が向上して要求空燃比の混合気を形成し易くなるので、運転条件に応じた良好な燃焼制御を実行することができるようになる。
【００５３】
一方、この電子制御装置１は、上記ステップＳＴ２５にて温度分布が均等であると判断した場合又は上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が閉弁状態であると判断した場合、本処理動作を一端終了させて上記のステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００５４】
以上示した如く、本実施例１の内燃機関によれば、吸気バルブ３１の傘部３１ａへの液状の燃料の付着が減少されるので、運転条件に応じた要求空燃比による良好な燃焼制御を実行することができる。
【００５５】
ところで、上記の例示においては吸気バルブ３１の回転角度を所定値に設定しているが、その回転角度は、測定又は推定した吸気バルブ３１の温度分布に基づいてその都度設定してもよい。即ち、この内燃機関においては、その温度分布から相対的な高温部分を判別することができるので、その高温部分を燃料の流動経路上まで移動可能な回転角度を算出し、その回転角度で電子制御装置１にバルブ回転手段３２を駆動制御させることが好ましい。これにより、吸気バルブ３１の高温部分へと正確に噴霧燃料を当てることができるので、より確実に燃料が気化されて液状の燃料の付着を回避することができる。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例２を図１及び図５に基づいて説明する。
【００５７】
前述した実施例１においては、吸気バルブ３１が開弁状態であれば当該吸気バルブ３１を回転させるように設定した。しかしながら、かかる開弁状態であっても燃料噴射後の場合には、吸気バルブ３１の低温部分にも噴霧燃料が当たってしまうので、その低温部分にて効果的に燃料を気化させることができず、液状の燃料の付着量を減少させることができなくなる。
【００５８】
そこで、本実施例２にあっては、燃料噴射装置４１の駆動状態（換言すれば、１サイクル中の吸気行程にて燃料が噴射されたか否か）を判断させ、燃料の噴射が開始される前に吸気バルブ３１の回転を実行させるように電子制御装置１を設定する。かかる駆動状態については、例えば、電子制御装置１によって燃料噴射装置４１に噴射開始指令が為されたか否か、又は、その噴射開始指令に応じた燃料噴射開始時期よりも前のクランク角であるか否かなどから判断することができる。
【００５９】
具体的に、本実施例２の電子制御装置１は、図５のフローチャートに示す如く処理動作を行う。尚、本実施例２においても、先ず始めに吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布の測定又は推定処理を行った後（ステップＳＴ２０）、その温度分布の状態判断処理（ステップＳＴ２５）、吸気バルブ３１の開閉状態の判断処理（ステップＳＴ３０）を実行するが、これらステップＳＴ２０〜ＳＴ３０の処理動作については前述した実施例１と同様にして実行されるので、ここでの説明は省略する。
【００６０】
本実施例２の電子制御装置１は、上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が開弁状態にあると判断した場合、燃料の噴射開始前であるか否かを判断する（ステップＳＴ３２）。
【００６１】
ここで、燃料の噴射開始後や噴射中であれば、この電子制御装置１は、本処理動作を一端終了させて上記ステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００６２】
一方、上記ステップＳＴ３２にて燃料の噴射開始前との判断が為された場合、この電子制御装置１は、前述した実施例１と同様にして吸気バルブ３１を所定の回転角度まで又は温度分布に応じた設定回転角度まで回転させ（ステップＳＴ３５）、回転終了後に燃料噴射装置４１から燃料を噴射させる（ステップＳＴ３７）。これにより、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料が確実に吸気バルブ３１の高温部分に当たるようになるので、その傘部３１ａへの液状の燃料の付着を確実に減少させることができる。
【００６３】
従って、以上示した本実施例２の内燃機関によれば、より正確な要求空燃比の混合気を形成することができるので、運転条件に対応させた良好な燃焼制御が実行できるようになる。
【実施例３】
【００６４】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例３を図１及び図６に基づいて説明する。
【００６５】
前述した実施例２においては、燃料の噴射前に吸気バルブ３１の回転動作を終了させて高温部分へと確実に噴霧燃料を当てるように設定した。しかしながら、例えば、その燃料の噴霧角が狭く、その噴霧燃料が傘部３１ａに局所的にしか当たらない場合もあり、かかる場合には、燃料の当たっていない部分も高温状態になっている可能性が高いにも拘わらずここで燃料を気化させないのは非効率であり、また、燃料噴射量が多ければ気化しきれない可能性も考えられる。
【００６６】
そこで、本実施例３にあっては、燃料噴射期間中であれば、その間に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させるように構成する。その燃料噴射期間中であるか否かについては、例えば、電子制御装置１による燃料噴射装置４１への噴射指令、又は、その噴射指令に応じた燃料噴射期間中のクランク角などから判断することができる。
【００６７】
ここで、吸気バルブ３１を何回転させるかについては、運転条件に応じて決定する。例えば、運転条件によっては燃料噴射量が多く設定される場合もあるので、燃料噴射量が多ければ吸気バルブ３１を複数回回転させ、これにより傘部３１ａの高温状態を保たせつつ気化効率を向上させることが好ましい。
【００６８】
具体的に、本実施例３の電子制御装置１は、図６のフローチャートに示す如く処理動作を行う。尚、本実施例３においても、先ず始めに吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布の測定又は推定処理を行った後（ステップＳＴ２０）、その温度分布の状態判断処理（ステップＳＴ２５）、吸気バルブ３１の開閉状態の判断処理（ステップＳＴ３０）を実行するが、これらステップＳＴ２０〜ＳＴ３０の処理動作については前述した実施例１，２と同様にして実行されるので、ここでの説明は省略する。
【００６９】
本実施例３の電子制御装置１は、上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が開弁状態にあると判断した場合、燃料噴射期間中であるか否かについて判断する（ステップＳＴ３３）。
【００７０】
ここで、燃料噴射期間中でなければ、この電子制御装置１は、本処理動作を一端終了させて上記ステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００７１】
一方、上記ステップＳＴ３３にて燃料噴射期間中との判断が為された場合、この電子制御装置１は、運転条件に応じて吸気バルブ３１の角速度を求め、この角速度となるようにバルブ回転手段３２を駆動制御して吸気バルブ３１を燃料噴射期間中に回転させる（ステップＳＴ３５）。これにより、吸気バルブ３１の傘部３１ａ全体に噴霧燃料が当たるようになり、また、局所的な気化潜熱による温度低下が抑制されて傘部３１ａ全体の温度を高温状態に保ちながら均等にできるので、その噴霧燃料がより多くの高温部分を利用して気化され易くなり、その傘部３１ａへの液状の燃料の付着を効率良く減少させることができる。
【００７２】
従って、以上示した本実施例３の内燃機関によれば、運転条件に対応させた正確な要求空燃比の混合気による良好な燃焼制御が実行できるようになる。
【００７３】
ところで、本実施例３の内燃機関においては、前述した実施例１，２と同様に、吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布が均等であるか否かに応じて吸気バルブ３１の回転動作の実行要否を判断させている。しかしながら、この内燃機関においては、燃料噴射期間中に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させるべく構成しているので、その回転動作を行うことによって傘部３１ａの温度分布が均等になっていく。従って、本実施例３にあっては、その温度分布に係る上記ステップＳＴ２０，ＳＴ２５の処理動作を必ずしも行わなくてよい。
【００７４】
一方、この内燃機関においては、燃料噴射期間中に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させることによって傘部３１ａの低温部分にも噴霧燃料を当てるので、その傘部３１ａ全体の温度差の大小等の諸要件如何ではその低温部分が温度上昇するまでに時間がかかり、その低温部分での燃料の気化が遅れてしまう可能性がある。これが為、少なくとも傘部３１ａの温度分布が均等になるまでは、測定又は推定した温度分布に基づいて高温部分のみを燃料の流動経路上に位置させるように回転動作を制御してもよい。尚、電子制御装置１には、かかる回転動作のみを行わせてもよい。
【００７５】
ここで、前述した各実施例１〜３においては吸気バルブ３１の高温部分における燃料の気化作用のみを以て液状の燃料の付着を減少させたが、その液状の燃料の付着を減少させる為には、これに加えて又はこれとは別に、吸気バルブ３１の回転に伴う遠心力を利用してもよい。かかる場合には、付着した燃料を吸気バルブ３１（特に、その傘部３１ａ）から振り落とすことが可能な角速度を予め定め、この角速度で上記各実施例１〜３の何れかの回転時期に吸気バルブ３１を継続して回転させるように電子制御装置１を設定する。これにより、かかる構成を単独で利用する場合には上記の各実施例１〜３の同様の効果を奏することができ、また、かかる構成と上記の各実施例１〜３の構成を併用する場合には当該各実施例１〜３よりも確実に液状の燃料の付着が減少される。尚、その角速度については、運転条件に応じて設定してもよい。例えば、その角速度は、前述したように運転条件によって燃料噴射量が異なるので、燃料噴射量が多ければ大きな遠心力が掛かるように大きく設定し、燃料噴射量が少なければ小さな遠心力で事足りるので小さく設定することができる。
【００７６】
また、前述した各実施例１〜３においてはポート噴射式の内燃機関を用いて例示したが、上述したバルブ回転手段３２に係る各種構成については、筒内直接噴射式の内燃機関やポート噴射と筒内直接噴射を併用する内燃機関にも適用可能である。そして、その筒内直接噴射式の内燃機関の場合には筒内に直接噴射された燃料の流動経路上に吸気バルブ３１が存在することがあれば、また、そのポート噴射と筒内直接噴射を併用する内燃機関の場合には夫々の噴霧燃料の流動経路上に吸気バルブ３１が存在することがあれば、上述したポート噴射式の内燃機関の場合と同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、吸気バルブへの噴霧燃料の付着量を減少させ、混合気の要求空燃比への制御性を向上させる技術に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る吸気バルブの一例をバルブステム側から見た上面図である。
【図３】吸気バルブの温度分布の推定動作について説明するフローチャートである。
【図４】実施例１の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【図５】実施例２の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【図６】実施例３の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１ 電子制御装置
１１ｂ 吸気ポート
３１ 吸気バルブ
３１ａ 傘部
３１ａ1〜３１ａ4 セル
３２ バルブ回転手段
４１ 燃料噴射装置
ＣＣ 燃焼室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に吸気バルブが存在している内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関においては、機関回転数等の様々な運転条件に応じた良好な燃焼を実現させる為に、その運転条件に応じた空燃比の混合気を燃焼室内に形成させるべく種々の制御が為されている。
【０００３】
尚、下記の特許文献１には、吸気バルブの温度の均一化と低減化を図る為に当該吸気バルブの周方向への回転を促進させる技術が開示されている。また、下記の特許文献２には、バルブ本体のフェースとバルブシートにおけるカーボン等の固形物の介在の防止を目的として、バルブステムに螺旋溝を設け、バルブの往復運動に連動させてバルブ本体を周方向に回転させる技術が開示されている。また、下記の特許文献３，４には、バルブやその関連部品の偏磨耗の抑制を目的として、バルブを周方向に回転させる技術が開示されている。その特許文献４においては、電磁駆動手段によってバルブを回転させている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１４０１４号公報
【特許文献２】実開昭６３−１１８３１４号公報
【特許文献３】特開平８−２１２１３号公報
【特許文献４】特開平８−１３５４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の内燃機関においては、燃料噴射装置からの噴霧燃料の一部が気化されずに吸気バルブ（特に、その傘部）に付着してしまうので、上記の運転条件に応じた空燃比よりも実際の空燃比は希薄になり、その乖離幅を考慮に入れた上で補正等して空燃比制御を行わなければ、その運転条件に応じた良好な燃焼を実現することができない。従って、この従来の内燃機関においては、応答遅れが発生するなど空燃比制御性が悪く、これ以外の燃焼制御等によって燃焼状態を良好なものにしなければならなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、吸気バルブへの燃料の付着を減少させることが可能な内燃機関を提供することを、その目的とする。
【０００７】
尚、上記特許文献１には吸気バルブの一部分の温度が特に高くなると不正燃焼の原因になる旨記載されているが、その不正燃焼の具体的な原因が如何なるものであるのか、更には、吸気バルブの回転によって如何様にして温度の均一化と低減化が図られるのかについて何ら開示されていない。しかしながら、かかる特許文献１の発明は、吸気バルブの温度の均一化と低減化を目的としたものであり、後述する本発明における高温部分を利用した燃料の気化促進との観点とは大きく相違するので、本発明とは目的が異なる。また、上記特許文献２〜４についても目的が本発明とは相違する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸気ポート又は／及び燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、この燃料噴射装置から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブと、を備えた内燃機関において、その吸気バルブの温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段と、燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に吸気バルブの高温部分を移動させるべく当該吸気バルブをバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段と、を設けている。
【０００９】
この請求項１記載の内燃機関においては、吸気バルブの高温部分に噴霧燃料が当たり、その燃料が吸気バルブの高温部分で気化されるので、吸気バルブへの液状の燃料の付着が減少する。
【００１０】
また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の内燃機関において、燃料噴射装置の燃料噴射時期に合わせて吸気バルブの回転動作を実行させるべくバルブ回転手段を構成している。
【００１１】
この請求項２記載の内燃機関においては、例えば、燃料噴射開始前に吸気バルブを回転させれば確実に吸気バルブの高温部分へと噴霧燃料が当たるようになり、吸気バルブへの液状の燃料の付着を確実に減少させることができる。また、この内燃機関においては、例えば、燃料噴射期間中に吸気バルブを回転させれば、噴霧燃料がより多くの高温部分に当たるので気化され易くなり、吸気バルブへの液状の燃料の付着を効率良く減少させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る内燃機関においては、吸気バルブに当たった噴霧燃料がその高温部分を利用して気化され、これが燃焼室内に混合気として送られる。これが為、この内燃機関においては、吸気バルブへの液状の燃料の付着が減少し、運転条件に応じた空燃比に実際の空燃比を近づけることが可能になるので、その運転条件に応じた良好な燃焼を実現することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
本発明に係る内燃機関の実施例１を図１から図４に基づいて説明する。
【００１５】
この内燃機関は、図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）１によって燃焼制御等が行われる。その電子制御装置１は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置），所定の制御プログラム等を予め記憶しているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ），ＣＰＵの演算結果を一時記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ），予め用意された情報等を記憶するバックアップＲＡＭ等で構成されている。
【００１６】
最初に、ここで例示する内燃機関の構成についての説明を行う。
【００１７】
この内燃機関には、燃焼室ＣＣを形成するシリンダヘッド１１，シリンダブロック１２及びピストン１３が備えられている。ここで、そのシリンダヘッド１１とシリンダブロック１２は図１に示すヘッドガスケット１４を介してボルト等で締結されており、これにより形成されるシリンダヘッド１１の下面の凹部１１ａとシリンダブロック１２のシリンダボア１２ａとの空間内にピストン１３が往復移動可能に配置される。そして、上述した燃焼室ＣＣは、そのシリンダヘッド１１の凹部１１ａの壁面とシリンダボア１２ａの壁面とピストン１３の頂面１３ａとで囲まれた空間によって構成される。
【００１８】
その燃焼室ＣＣには、図１に示す吸気通路２１とシリンダヘッド１１の吸気ポート１１ｂを介して外部からの空気が導入される。
【００１９】
ここで、その吸気通路２１上には、導入した外部の空気から塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２２と、外部からの吸入空気量を検出するエアフロメータ２３と、が設けられている。この内燃機関においては、そのエアフロメータ２３の検出信号が電子制御装置１へと送られ、この電子制御装置１においてその検出信号に基づき外部からの吸入空気量が算出される。
【００２０】
また、吸気通路２１上におけるエアフロメータ２３よりも下流側には、燃焼室ＣＣ内への吸入空気量を調節するスロットルバルブ２４と、このスロットルバルブ２４を開閉駆動するスロットルバルブアクチュエータ２５と、が設けられている。電子制御装置１は、そのスロットルバルブアクチュエータ２５に対してスロットルバルブ２４の開弁角度の制御指令を行い、その開弁角度に応じた所望の吸入空気量を燃焼室ＣＣ内へと吸入させる。この内燃機関においては、そのスロットルバルブ２４の開度を検出するスロットル開度センサ２６が設けられており、このスロットル開度センサ２６の検出信号が電子制御装置１へと送られる。
【００２１】
一方、吸気ポート１１ｂはその一端が燃焼室ＣＣに開口しており、その開口部分に当該開口を開閉させ得る吸気バルブ３１が配設されている。例えば、この吸気バルブ３１は、図示しない吸気側カムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動する。この内燃機関においては、その吸気バルブ３１を開弁させることによって吸気ポート１１ｂから燃焼室ＣＣ内に空気が吸入される一方、その吸気バルブ３１を閉弁させることによって燃焼室ＣＣ内への空気の流入が遮断される。尚、その吸気ポート１１ｂにおける燃焼室ＣＣ内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に吸気バルブ３１が配備される。
【００２２】
更に、本実施例１の内燃機関においては、その吸気ポート１１ｂ内に燃料を噴射する燃料噴射装置４１が配備されている。この燃料噴射装置４１は、電子制御装置１によって燃料噴射量，燃料噴射時期及び燃料噴射期間等が制御される。例えば、その電子制御装置１は、内燃機関の運転条件等に応じてスロットルバルブアクチュエータ２５の開弁角度と燃料噴射装置４１の燃料噴射量等を制御し、これにより生成された空気と燃料の混合気を燃焼室ＣＣ内に吸入させる。
【００２３】
この電子制御装置１は、図１に示す点火プラグ５１の点火時期を制御して、燃焼室ＣＣ内に形成された混合気への点火を実行させる。これにより、この内燃機関においては、燃焼動作が開始される。そして、燃焼後の筒内ガスは、燃焼室ＣＣから図１に示す排気ポート１１ｃへと排出される。ここで、この排気ポート１１ｃには、燃焼室ＣＣとの間の開口を開閉させ得る排気バルブ６１が配設されている。例えば、この排気バルブ６１は、図示しない排気側カムシャフトの回転と弾性部材（弦巻バネ）の弾発力に伴って開閉駆動する。これが為、その排気バルブ６１を開弁させることによって燃焼室ＣＣ内から排気ポート１１ｃに燃焼後の筒内ガスが排出され、その排気バルブ６１を閉弁させることによって筒内ガスの排気ポート１１ｃへの排出が遮断される。尚、その排気ポート１１ｃにおける燃焼室ＣＣ内への開口の数量は１つでも複数でもよく、その開口毎に上述した排気バルブ６１が配備される。
【００２４】
また更に、本実施例１の内燃機関には、クランクシャフト１５の回転角度を検出するクランク角センサ７１及び冷却水の温度を検出する水温センサ７２等の各種センサが設けられている。これら各種センサの検出信号についても夫々電子制御装置１に送られる。
【００２５】
ところで、燃焼室ＣＣ内の混合気は、機関回転数や負荷等の様々な運転条件で良好な燃焼制御を実行させるべく、その運転条件等に応じて要求された最良の空燃比となるよう緻密に制御される。以下においては、その空燃比を「要求空燃比」という。
【００２６】
しかしながら、燃料噴射装置４１から噴射された噴霧燃料の一部が気化されぬまま吸気バルブ３１（特に、その傘部）に付着してしまうので、実際に生成された混合気の空燃比が要求空燃比よりも希薄になり、このままでは運転条件に対応させた所望の燃焼を行うことができない。これが為、実際には、例えば、排気ガス中の残存酸素量等から実際に生成された空燃比を推測し、フィードバック制御によって実際の空燃比を要求空燃比に補正しなければならないので、応答遅れが発生するなど空燃比制御性が悪い。
【００２７】
一方、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料は予め定められた噴霧角や噴射角度で噴射されるので既定の流動経路しか辿らず、また、吸気バルブ３１はバルブステムの軸線方向に往復移動するのみであるので、その吸気バルブ３１には、略固定された位置に液状の燃料が付着する。そして、通常の内燃機関においては吸気バルブ３１の全体（特に、その傘部の全体）に均等に液状の燃料が付着するわけではないので、その吸気バルブ３１の温度分布は、多くの場合不均一になっている。即ち、吸気バルブ３１は、液状の燃料の付着箇所において燃料の気化潜熱で温度が低下させられるので、その付着量の多少にも影響されるが、その付着箇所と未付着箇所とで温度差が生じてしまう可能性がある。
【００２８】
そこで、本実施例１にあっては、バルブステムの軸線を中心にして吸気バルブ３１を回転させ、その吸気バルブ３１の中でも相対的に高温となっている部分に噴霧燃料を当てて液状の燃料の付着を減少させるべく、以下のように構成する。ここでは、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料の流動経路上に吸気バルブ３１の傘部の一部分が存在しているものとして説明する。
【００２９】
この内燃機関においては、その吸気バルブ３１をバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段３２を設ける。このバルブ回転手段３２としては、例えば、電動モータの駆動力や油圧発生装置の油圧等をバルブステムの軸線中心の回転力として伝達する駆動装置などが考えられる。
【００３０】
このバルブ回転手段３２は、電子制御装置１によって駆動制御させる。
【００３１】
ここで、閉弁状態のときに吸気バルブ３１を回転させた場合には、その傘部とバルブシート（シートリング）との間に磨耗が発生し、また、その間の摩擦に伴ってバルブ回転手段３２の駆動力を無駄に高めなければならないので好ましくない。これが為、本実施例１にあっては、吸気バルブ３１が開弁状態（例えば、吸気行程）のときにバルブ回転手段３２を駆動させる。その際、バルブ回転手段３２の駆動時期か否かについては、吸気バルブ３１の開弁状態（吸気行程）を判断し得る周知の技術を利用して判定する。例えば、本実施例１の如き内燃機関の場合、電子制御装置１は、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１の開弁状態（吸気行程）を判断することができる。また、吸気バルブ３１の開閉時期やリフト量を可変させ得る所謂可変バルブタイミング＆リフト機構が配備された内燃機関の場合、電子制御装置１は、その可変バルブタイミング＆リフト機構に対する吸気バルブ３１の開弁指令から判断することができる。
【００３２】
具体的に、本実施例１の電子制御装置１は、例えば、予め定めた所定の回転角度で吸気バルブ３１を回転させるように設定することができる。その際の所定の回転角度としては、吸気バルブ３１の傘部における燃料の付着面積を予め実験やシミュレーションから求め、少なくとも燃料の未付着箇所を燃料の流動経路上まで移動させ得るだけの角度に設定する。尚、燃料の未付着箇所よりも付着箇所の範囲内に相対的な高温部分が存在している場合には、その高温部分まで移動させる角度を回転角度として設定する。
【００３３】
これにより、本実施例１の内燃機関においては、吸気バルブ３１の傘部の相対的な高温部分に噴霧燃料が当たるようになるので、この高温部分に接した燃料の気化が促進され、その傘部への液状の燃料の付着を減少させることができる。従って、この内燃機関においては、その傘部に当たって気化した燃料についても空気と混合させて燃焼室ＣＣ内に送れるので、その燃焼室ＣＣ内に形成された混合気の実際の空燃比を要求空燃比に近づけることができる。これが為、この内燃機関は、その要求空燃比への補正が不要になる又は補正量が軽減されるので、空燃比制御性が向上し、運転条件に応じた良好な燃焼制御を実行することができるようになる。
【００３４】
ところで、上述したバルブ回転手段３２は、図示しないが、吸気バルブ３１のバルブステムの外周面に形成した螺旋状の溝と、この螺旋状の溝に連通し且つそのバルブステムの外周面に形成した軸線方向の溝と、そのバルブステムの外周面と対向する内周面に突起が形成された筒体と、を備えて構成することができる。かかるバルブ回転手段３２は、吸気バルブ３１が上昇（又は下降）する際に筒体の突起を螺旋状の溝に沿わせて上記の所定の回転角度で回転させ、吸気バルブ３１が下降（又は上昇）する際にその突起を軸線方向の溝に沿わせて回転させないように設定したものである。これにより、電子制御装置１による制御や電動モータ等が不要になるので、吸気バルブ３１の傘部への液状の燃料の付着を減少させつつシステムの簡素化を図ることができる。
【００３５】
ここで、吸気バルブ３１は、多くの状況下でその温度分布が不均等になっているものとの仮定を前提にして吸気行程毎に少なくとも１度ずつ回転させてもよいが、燃料噴射量や筒内圧如何ではその温度分布が均等になっており、あえて回転させる必要がないとの状況も考えられる。これが為、吸気バルブ３１については、その温度分布を知った上で回転させることが好ましい。従って、本実施例１にあっては、吸気バルブ３１の傘部の温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段を設ける。そのバルブ温度測定手段やバルブ温度推定手段は、電子制御装置１の一機能として配備する。
【００３６】
バルブ温度測定手段については、例えば、図２に示す如く、吸気バルブ３１の傘部３１ａに周方向に等間隔で埋設した複数の熱電対等の温度センサ７３の検出信号から測定させる。ここでは、その傘部３１ａを周方向にて４つに区画し、その４つのセル３１ａ1〜３１ａ4に温度センサ７３を各々埋設する。
【００３７】
また、バルブ温度推定手段については、例えば、その夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4の熱収支から当該各セル３１ａ1〜３１ａ4の温度を求め、これにより傘部３１ａの温度分布を推定させる。
【００３８】
具体的に、このバルブ温度推定手段は、機関始動直後や電子制御装置１がイグニッションＯＮ信号を検知した後に、図３のフローチャートに示す如く各セル３１ａ1〜３１ａ4の初期温度Ｔｖを各々算出する（ステップＳＴ１）。その際の吸気バルブ３１やシリンダヘッド１１等は冷却水と同等の温度になっているものと推定できるので、バルブ温度推定手段は、水温センサ７２の検出信号から冷却水温度Ｔｗを求め、これを各セル３１ａ1〜３１ａ4の初期温度Ｔｖとして設定する。
【００３９】
続いて、このバルブ温度推定手段は、後の工程で用いる各種状態量を取得する（ステップＳＴ２）。その状態量としては、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度等を取得する。
【００４０】
そして、このバルブ温度推定手段は、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１が開弁状態であるか閉弁状態であるかについて判断する（ステップＳＴ３）。
【００４１】
ここで、吸気バルブ３１が開弁状態にあれば、バルブ温度推定手段は、その吸気バルブ３１（特に、傘部３１ａ）の近傍においてのガスの流動方向を判断する（ステップＳＴ４）。そのガスとは、大別すれば、燃焼室ＣＣに吸入される空気（混合気）と燃焼室ＣＣから逆流する筒内ガス（燃焼ガス）とがある。従って、このバルブ温度推定手段は、例えば、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度に基づいて、吸気行程中のバルブオーバーラップ期間以外と判定した場合にガスの流動方向を順流（空気の吸入）と判断し、吸気行程中のバルブオーバーラップ期間と判定した場合にガスの流動方向を筒内ガスの逆流と判断する。
【００４２】
バルブ温度推定手段は、そのステップＳＴ４にて「順流」と判断した場合、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面においての順流時ガス（空気、混合気）との熱伝達を求める（ステップＳＴ５）。かかる場合のバルブ温度推定手段は、その順流時ガスの温度Ｔｇ，順流時ガスの圧力，順流時ガスの流速及び順流時ガスの熱伝達率等に基づいて、夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4への順流時ガス（空気、混合気）からの入出力エネルギを算出する。その順流時ガスの温度Ｔｇとしては、例えば外気温等の情報を利用することができる。また、その順流時ガスの圧力としては、吸気ポート１１ｂ等の内部圧力の情報を利用することができる。また、その順流時ガスの流速としては、機関回転数や吸入空気量、吸気バルブ３１の開閉時期の情報を利用して求めることができる。尚、そのステップＳＴ４にて「逆流」と判断した場合には、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面においての逆流時ガス（筒内ガス）との熱伝達を同様にして求める（ステップＳＴ１２）。
【００４３】
また、このバルブ温度推定手段は、これと同様にして各セル３１ａ1〜３１ａ4の燃焼室ＣＣ側表面においての筒内ガスとの熱伝達，即ち、夫々のセル３１ａ1〜３１ａ4への筒内ガスからの入出力エネルギを求める（ステップＳＴ６）。
【００４４】
更に、このバルブ温度推定手段は、各セル３１ａ1〜３１ａ4においての燃料が蒸発した際の気化潜熱を求め（ステップＳＴ７）、また、その各セル３１ａ1〜３１ａ4における隣接するセルとの間の熱伝達を求める（ステップＳＴ８）。
【００４５】
そして、このバルブ温度推定手段は、上記の各熱伝達と気化潜熱に基づいて各セル３１ａ1〜３１ａ4の熱収支を算出し（ステップＳＴ９）、夫々の温度Ｔｖを更新する（ステップＳＴ１０）。
【００４６】
このバルブ温度推定手段は、機関停止状態か否か判断し（ステップＳＴ１１）、停止していれば本処理動作を終了し、停止していなければ上記のステップＳＴ２に戻る。
【００４７】
一方、上記のステップＳＴ３において「閉弁」との判断が為された場合、バルブ温度推定手段は、各セル３１ａ1〜３１ａ4の吸気ポート１１ｂ側表面における吸気ポート１１ｂ内のガス（空気、混合気）との熱伝達を求め（ステップＳＴ１３）、更に、その各セル３１ａ1〜３１ａ4におけるバルブシート接触面との熱伝達を求める（ステップＳＴ１４）。そして、上記のステップＳＴ６に進む。
【００４８】
このバルブ温度推定手段は、上記の動作を繰り返して各セル３１ａ1〜３１ａ4の温度を推定する。
【００４９】
以下に、本実施例１の内燃機関の電子制御装置１による処理動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５０】
先ず、本実施例１の電子制御装置１は、上述したバルブ温度測定手段又はバルブ温度推定手段によって、吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布を測定又は推定し（ステップＳＴ２０）、その温度分布が均等であるか否か（即ち、各セル３１ａ1〜３１ａ4の間に温度差があるか否か）を判断する（ステップＳＴ２５）。
【００５１】
ここで、この電子制御装置１は、温度分布が不均等であると判断した場合、クランクシャフト１５の回転角度や吸気側カムシャフトの回転角度の情報を用いて、吸気バルブ３１が開弁状態であるか閉弁状態であるかを判断する（ステップＳＴ３０）。
【００５２】
そして、この電子制御装置１は、吸気バルブ３１が開弁状態にあれば、バルブ回転手段３２を駆動制御して吸気バルブ３１を上記の所定の回転角度まで回転させる（ステップＳＴ３５）。これにより、吸気バルブ３１の傘部３１ａにおいて相対的に高温になっている部分が燃料の流動経路上まで移動させられるので、上述したが如くその傘部３１ａへの液状の燃料の付着を減少させることができる。従って、この内燃機関においては、空燃比制御性が向上して要求空燃比の混合気を形成し易くなるので、運転条件に応じた良好な燃焼制御を実行することができるようになる。
【００５３】
一方、この電子制御装置１は、上記ステップＳＴ２５にて温度分布が均等であると判断した場合又は上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が閉弁状態であると判断した場合、本処理動作を一端終了させて上記のステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００５４】
以上示した如く、本実施例１の内燃機関によれば、吸気バルブ３１の傘部３１ａへの液状の燃料の付着が減少されるので、運転条件に応じた要求空燃比による良好な燃焼制御を実行することができる。
【００５５】
ところで、上記の例示においては吸気バルブ３１の回転角度を所定値に設定しているが、その回転角度は、測定又は推定した吸気バルブ３１の温度分布に基づいてその都度設定してもよい。即ち、この内燃機関においては、その温度分布から相対的な高温部分を判別することができるので、その高温部分を燃料の流動経路上まで移動可能な回転角度を算出し、その回転角度で電子制御装置１にバルブ回転手段３２を駆動制御させることが好ましい。これにより、吸気バルブ３１の高温部分へと正確に噴霧燃料を当てることができるので、より確実に燃料が気化されて液状の燃料の付着を回避することができる。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例２を図１及び図５に基づいて説明する。
【００５７】
前述した実施例１においては、吸気バルブ３１が開弁状態であれば当該吸気バルブ３１を回転させるように設定した。しかしながら、かかる開弁状態であっても燃料噴射後の場合には、吸気バルブ３１の低温部分にも噴霧燃料が当たってしまうので、その低温部分にて効果的に燃料を気化させることができず、液状の燃料の付着量を減少させることができなくなる。
【００５８】
そこで、本実施例２にあっては、燃料噴射装置４１の駆動状態（換言すれば、１サイクル中の吸気行程にて燃料が噴射されたか否か）を判断させ、燃料の噴射が開始される前に吸気バルブ３１の回転を実行させるように電子制御装置１を設定する。かかる駆動状態については、例えば、電子制御装置１によって燃料噴射装置４１に噴射開始指令が為されたか否か、又は、その噴射開始指令に応じた燃料噴射開始時期よりも前のクランク角であるか否かなどから判断することができる。
【００５９】
具体的に、本実施例２の電子制御装置１は、図５のフローチャートに示す如く処理動作を行う。尚、本実施例２においても、先ず始めに吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布の測定又は推定処理を行った後（ステップＳＴ２０）、その温度分布の状態判断処理（ステップＳＴ２５）、吸気バルブ３１の開閉状態の判断処理（ステップＳＴ３０）を実行するが、これらステップＳＴ２０〜ＳＴ３０の処理動作については前述した実施例１と同様にして実行されるので、ここでの説明は省略する。
【００６０】
本実施例２の電子制御装置１は、上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が開弁状態にあると判断した場合、燃料の噴射開始前であるか否かを判断する（ステップＳＴ３２）。
【００６１】
ここで、燃料の噴射開始後や噴射中であれば、この電子制御装置１は、本処理動作を一端終了させて上記ステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００６２】
一方、上記ステップＳＴ３２にて燃料の噴射開始前との判断が為された場合、この電子制御装置１は、前述した実施例１と同様にして吸気バルブ３１を所定の回転角度まで又は温度分布に応じた設定回転角度まで回転させ（ステップＳＴ３５）、回転終了後に燃料噴射装置４１から燃料を噴射させる（ステップＳＴ３７）。これにより、燃料噴射装置４１からの噴霧燃料が確実に吸気バルブ３１の高温部分に当たるようになるので、その傘部３１ａへの液状の燃料の付着を確実に減少させることができる。
【００６３】
従って、以上示した本実施例２の内燃機関によれば、より正確な要求空燃比の混合気を形成することができるので、運転条件に対応させた良好な燃焼制御が実行できるようになる。
【実施例３】
【００６４】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例３を図１及び図６に基づいて説明する。
【００６５】
前述した実施例２においては、燃料の噴射前に吸気バルブ３１の回転動作を終了させて高温部分へと確実に噴霧燃料を当てるように設定した。しかしながら、例えば、その燃料の噴霧角が狭く、その噴霧燃料が傘部３１ａに局所的にしか当たらない場合もあり、かかる場合には、燃料の当たっていない部分も高温状態になっている可能性が高いにも拘わらずここで燃料を気化させないのは非効率であり、また、燃料噴射量が多ければ気化しきれない可能性も考えられる。
【００６６】
そこで、本実施例３にあっては、燃料噴射期間中であれば、その間に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させるように構成する。その燃料噴射期間中であるか否かについては、例えば、電子制御装置１による燃料噴射装置４１への噴射指令、又は、その噴射指令に応じた燃料噴射期間中のクランク角などから判断することができる。
【００６７】
ここで、吸気バルブ３１を何回転させるかについては、運転条件に応じて決定する。例えば、運転条件によっては燃料噴射量が多く設定される場合もあるので、燃料噴射量が多ければ吸気バルブ３１を複数回回転させ、これにより傘部３１ａの高温状態を保たせつつ気化効率を向上させることが好ましい。
【００６８】
具体的に、本実施例３の電子制御装置１は、図６のフローチャートに示す如く処理動作を行う。尚、本実施例３においても、先ず始めに吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布の測定又は推定処理を行った後（ステップＳＴ２０）、その温度分布の状態判断処理（ステップＳＴ２５）、吸気バルブ３１の開閉状態の判断処理（ステップＳＴ３０）を実行するが、これらステップＳＴ２０〜ＳＴ３０の処理動作については前述した実施例１，２と同様にして実行されるので、ここでの説明は省略する。
【００６９】
本実施例３の電子制御装置１は、上記ステップＳＴ３０にて吸気バルブ３１が開弁状態にあると判断した場合、燃料噴射期間中であるか否かについて判断する（ステップＳＴ３３）。
【００７０】
ここで、燃料噴射期間中でなければ、この電子制御装置１は、本処理動作を一端終了させて上記ステップＳＴ２０に戻る。これにより、無用な吸気バルブ３１の回転動作が回避されるので、バルブ回転手段３２の電動モータ等への電力供給が不要になり、電力消費量の軽減を図ることができる。
【００７１】
一方、上記ステップＳＴ３３にて燃料噴射期間中との判断が為された場合、この電子制御装置１は、運転条件に応じて吸気バルブ３１の角速度を求め、この角速度となるようにバルブ回転手段３２を駆動制御して吸気バルブ３１を燃料噴射期間中に回転させる（ステップＳＴ３５）。これにより、吸気バルブ３１の傘部３１ａ全体に噴霧燃料が当たるようになり、また、局所的な気化潜熱による温度低下が抑制されて傘部３１ａ全体の温度を高温状態に保ちながら均等にできるので、その噴霧燃料がより多くの高温部分を利用して気化され易くなり、その傘部３１ａへの液状の燃料の付着を効率良く減少させることができる。
【００７２】
従って、以上示した本実施例３の内燃機関によれば、運転条件に対応させた正確な要求空燃比の混合気による良好な燃焼制御が実行できるようになる。
【００７３】
ところで、本実施例３の内燃機関においては、前述した実施例１，２と同様に、吸気バルブ３１の傘部３１ａの温度分布が均等であるか否かに応じて吸気バルブ３１の回転動作の実行要否を判断させている。しかしながら、この内燃機関においては、燃料噴射期間中に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させるべく構成しているので、その回転動作を行うことによって傘部３１ａの温度分布が均等になっていく。従って、本実施例３にあっては、その温度分布に係る上記ステップＳＴ２０，ＳＴ２５の処理動作を必ずしも行わなくてよい。
【００７４】
一方、この内燃機関においては、燃料噴射期間中に吸気バルブ３１を少なくとも１回転させることによって傘部３１ａの低温部分にも噴霧燃料を当てるので、その傘部３１ａ全体の温度差の大小等の諸要件如何ではその低温部分が温度上昇するまでに時間がかかり、その低温部分での燃料の気化が遅れてしまう可能性がある。これが為、少なくとも傘部３１ａの温度分布が均等になるまでは、測定又は推定した温度分布に基づいて高温部分のみを燃料の流動経路上に位置させるように回転動作を制御してもよい。尚、電子制御装置１には、かかる回転動作のみを行わせてもよい。
【００７５】
ここで、前述した各実施例１〜３においては吸気バルブ３１の高温部分における燃料の気化作用のみを以て液状の燃料の付着を減少させたが、その液状の燃料の付着を減少させる為には、これに加えて又はこれとは別に、吸気バルブ３１の回転に伴う遠心力を利用してもよい。かかる場合には、付着した燃料を吸気バルブ３１（特に、その傘部３１ａ）から振り落とすことが可能な角速度を予め定め、この角速度で上記各実施例１〜３の何れかの回転時期に吸気バルブ３１を継続して回転させるように電子制御装置１を設定する。これにより、かかる構成を単独で利用する場合には上記の各実施例１〜３の同様の効果を奏することができ、また、かかる構成と上記の各実施例１〜３の構成を併用する場合には当該各実施例１〜３よりも確実に液状の燃料の付着が減少される。尚、その角速度については、運転条件に応じて設定してもよい。例えば、その角速度は、前述したように運転条件によって燃料噴射量が異なるので、燃料噴射量が多ければ大きな遠心力が掛かるように大きく設定し、燃料噴射量が少なければ小さな遠心力で事足りるので小さく設定することができる。
【００７６】
また、前述した各実施例１〜３においてはポート噴射式の内燃機関を用いて例示したが、上述したバルブ回転手段３２に係る各種構成については、筒内直接噴射式の内燃機関やポート噴射と筒内直接噴射を併用する内燃機関にも適用可能である。そして、その筒内直接噴射式の内燃機関の場合には筒内に直接噴射された燃料の流動経路上に吸気バルブ３１が存在することがあれば、また、そのポート噴射と筒内直接噴射を併用する内燃機関の場合には夫々の噴霧燃料の流動経路上に吸気バルブ３１が存在することがあれば、上述したポート噴射式の内燃機関の場合と同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、吸気バルブへの噴霧燃料の付着量を減少させ、混合気の要求空燃比への制御性を向上させる技術に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る吸気バルブの一例をバルブステム側から見た上面図である。
【図３】吸気バルブの温度分布の推定動作について説明するフローチャートである。
【図４】実施例１の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【図５】実施例２の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【図６】実施例３の内燃機関の制御動作について説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１ 電子制御装置
１１ｂ 吸気ポート
３１ 吸気バルブ
３１ａ 傘部
３１ａ1〜３１ａ4 セル
３２ バルブ回転手段
４１ 燃料噴射装置
ＣＣ 燃焼室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポート又は／及び燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、該燃料噴射装置から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブと、を備えた内燃機関において、
前記吸気バルブの温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段と、
前記燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に前記吸気バルブの高温部分を移動させるべく、該吸気バルブをバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記バルブ回転手段は、前記燃料噴射装置の燃料噴射時期に合わせて前記吸気バルブの回転動作を実行させるべく構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項１】
吸気ポート又は／及び燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、該燃料噴射装置から噴射された燃料の流動経路上に配置され又は当該流動経路上に移動する吸気バルブと、を備えた内燃機関において、
前記吸気バルブの温度分布を測定するバルブ温度測定手段又は当該温度分布を推定するバルブ温度推定手段と、
前記燃料噴射装置からの燃料の流動経路上に前記吸気バルブの高温部分を移動させるべく、該吸気バルブをバルブステムの軸線を中心にして回転させるバルブ回転手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記バルブ回転手段は、前記燃料噴射装置の燃料噴射時期に合わせて前記吸気バルブの回転動作を実行させるべく構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２９１９４１（Ｐ２００７−２９１９４１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２０４６９（Ｐ２００６−１２０４６９）
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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