| 【発明の名称】 |
電磁駆動弁を有する内燃機関 |
| 【発明者】 |
【氏名】松本 功
【氏名】勝間田 正司
【氏名】田中 正明
【氏名】四重田 啓二
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| 【要約】 |
【課題】中低速の機関回転数領域における排気音を好適に抑制することのできる電磁駆動弁を有する内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関１は、電磁コイルとスプリングとの協働によって吸気弁２８を開閉弁駆動する吸気側電磁駆動弁機構３０と、排気弁２９を開閉弁駆動する排気側電磁駆動弁機構３１とを、各気筒２１上に各々２体ずつ備える。ＥＣＵ２０は、機関回転数に基づいて、内燃機関１の運転状態が低中速回転数域にあると認識した場合、同一気筒２１上における２体の電磁駆動弁機構３１各々が駆動する排気弁２９の開弁タイミングを相互に異ならせるよう駆動回路に指令する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電磁石の電磁力とスプリングの付勢力との協働によって、一方の変位端から他方の変位端にかけて弁体を往復させることにより開閉弁動作を行う電磁駆動弁を、排気弁として同一気筒に複数有する内燃機関において、当該内燃機関の機関回転数に応じて、前記各排気弁間における相対的な開弁タイミングを変更することを特徴とする電磁駆動弁を有する内燃機関。
【請求項２】 当該内燃機関の機関回転数が低くなる程、開弁タイミングの最も早い排気弁と、最も遅い排気弁とのタイミング差を大きくすることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁を有する内燃機関。
【請求項３】 当該内燃機関の機関回転数が所定回転数以下である場合に、前記各排気弁間における相対的な開弁タイミングを異ならせることを特徴とする請求項１又は２記載の電磁駆動弁を有する内燃機関。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁駆動弁を少なくとも排気弁として複数搭載する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の内燃機関としては、例えば特公平７−１１１１２７に記載された内燃機関のように、電磁石による電磁力とスプリングによるバネ力との協働によって直接吸排気弁を駆動する電磁駆動弁機構を備える。この電磁駆動弁機構は、弁体と連動して直線動作（リフト）する軸体をその動作方向の両側からスプリングによって付勢することにより、同軸体を、これと連動する弁体とともに所定位置（中立位置）に保持する。そして、この軸体（弁体）に固有振動を生じさせるととも、同じくその動作方向の両側から電磁力を適宜付与することにより、その動作態様を制御して各弁体の開閉弁タイミングや開弁量（リフト量）を操作する。
【０００３】このように、いわゆる電磁駆動弁としての吸気弁或いは排気弁を搭載する内燃機関では、例えばクランクシャフトとベルト連結されたカムシャフトの回転に伴って吸排気弁を開閉弁動作させるタイプ（以下、カムタイプという）のものとは異なり、個々の吸排気弁を独立して駆動制御することとなる。このため、各弁の開閉弁動作のタイミング（バルブタイミング）、動作角の変更にかかる制御の自由度、更には所望のリフト位置に弁を遷移させる際の弁動作の応答性等々に関して優れた特質を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のようにスプリングのバネ力によって発生するアーマチャの固有振動が弁体の基本動作を決定づける電磁駆動弁においては、特定の振幅に見合う弁体の変位速度が、基本的にはスプリングの機械的特性（バネ定数）によって定まる。一方、内燃機関が、広い機関回転数の領域で好適な運転状態を得るためには、高い機関回転数に対して十分に速い動作速度で開閉弁動作させることが少なくとも必要となる。この結果、通常スプリングの機械的特性は、高い機関回転数に追従できる弁体の変位速度に見合うように選択されることとなる。
【０００５】ちなみに、上記カムタイプの内燃機関では、機関回転数の低下に伴ってカムシャフトの回転速度も低下するため、低い機関回転数の領域では吸排気弁の開閉弁動作も緩やかとなる。
【０００６】ところが、電磁駆動弁を搭載する内燃機関にあって、上述のように高い機関回転数に適合するよう設定された弁体の変位速度で機関回転数の全領域にわたって吸排気弁の開閉弁動作を行うようにすると、カムタイプの内燃機関と比べて低い機関回転数の領域で排気脈動に起因する騒音が際だってしまうこととなる。機関回転数の低下に伴って排気脈動の周期は長くなるにも関わらず、排気弁の開弁動作がそのままであることから、カムタイプの内燃機関との比較において、機関回転数が低くなるほど排気の吐出速度（流速）が（カムタイプのものより）相対的に大きくなるためである。
【０００７】本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中低速の機関回転数領域における排気音を好適に抑制することのできる電磁駆動弁を有する内燃機関を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、電磁石の電磁力とスプリングの付勢力との協働によって、一方の変位端から他方の変位端にかけて弁体を往復させることにより開閉弁動作を行う電磁駆動弁を、排気弁として同一気筒に複数有する内燃機関において、当該内燃機関の機関回転数に応じて、前記各排気弁間における相対的な開弁タイミングを変更することを要旨とする。
【０００９】内燃機関にとって、排気弁動作に要求される機能は当該機関の機関回転数によって異なる。例えば、高速回転域では、機関出力軸の高速回転動作への追従性や排気流出の迅速性が要求され、他方、中低速回転域では、燃焼室から排出される排気の脈動を抑制すべく緩やかに排気を流出させることが好ましい。その一方、電磁駆動弁ではその機械的な特質上、弁体の変位速度、すなわち開閉弁動作にかかる弁体の動作速度を基本的には一定に保持するの好ましい。
【００１０】同構成によれば、各排気弁間における相対的な開閉弁タイミングを変更することにより、各弁体の変位速度そのものを変更することなく、排気流出口の実質的な開放速度を変化させることができるようになる。例えば複数の排気弁を同時に開弁させる場合と、タイミングをずらして順次開弁させる場合とを比較すると、後者の方が、実質上、排気流出口を緩やかに開放することとなる。
【００１１】また、当該内燃機関の機関回転数が低くなる程、開弁タイミングの最も早い排気弁と、最も遅い排気弁とのタイミング差を大きくするのがよい。中低速回転域において、燃焼室から排出される排気は緩やかに流出させる方が排気脈動を抑制する上で好適であることは上述した通りである。
【００１２】同構成によれば、機関回転数が低くなる程、実質上、排気流出口を緩やかに開放されることとなり、排気脈動が好適に抑制される。よって、とくに低中速回転域での機関運転にかかる静粛性が向上する。
【００１３】また、当該内燃機関の機関回転数が所定回転数以下である場合に、前記各排気弁間における相対的な開弁タイミングを異ならせることとしてもよい。同構成によっても、比較的低い機関回転数の領域における排気脈動が好適に抑制され、同領域での機関運転にかかる静粛性が向上する。
【００１４】なお、以上の各構成は可能なかぎり組み合わせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を電磁駆動弁搭載の内燃機関に適用した一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】図１は、本実施の形態にかかる電磁駆動弁搭載の内燃機関を概略的に示す構成図である。同図１に示す内燃機関１は、複数の気筒２１を備えるとともに、吸入行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程の４行程サイクルを繰り返して機関出力を得るガソリンエンジンである。
【００１７】内燃機関１は、複数の気筒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。
【００１８】シリンダブロック１ｂには、機関出力軸であ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。
【００１９】ピストン２２の上方には、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。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に駆動電流を通電するためのイグナイタ２５ａが接続されている。
【００２０】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ている。また、各吸気ポート２６は、内燃機関１のシリンダヘッド１ａに取り付けられた吸気枝管３３の各開口端と連通している。また、シリンダヘッド１ａには、吸気ポート２６に噴孔を臨ませるように燃料噴射弁３２が取り付けられている。燃料噴射弁３２は、加圧ポンプ（図示略）を介し燃料タンク（図示略）から移送された燃料（ガソリン）を、吸気ポート２６内（燃焼室２４方向）に噴射供給する。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。サージタンク３４には、吸気管３５が接続され、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。
【００２１】吸気管３５には、該吸気管３５内を流れる新気の質量（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。吸気管３５においてエアフローメータ４４より下流の部位には、同吸気管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。
【００２２】スロットル弁３９には、ステップモータ等からなり印加電力の大きさに応じてスロットル弁３９を開閉弁駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、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同アクセルペダル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。
【００２３】一方、内燃機関１の各排気ポート２７は、シリンダヘッド１ａに取り付けられた排気枝管４５の各枝管と連通している。排気枝管４５は、排気浄化触媒４６を介して排気管４７に接続され、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。
【００２４】排気枝管４５には、同排気枝管４５内を流れる排気の空燃比、言い換えれば排気浄化触媒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。
【００２５】排気浄化触媒４６は、例えば、同排気浄化触媒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、同排気浄化触媒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、若しくは上述した各種の触媒を適宜組み合わせてなる触媒である。
【００２６】また、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は、クランクシャフト２３の回転位相に応じた電気信号を出力することで、クランク角や機関回転数ＮＥを把握できるようにする。また、シリンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２は、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る。
【００２７】一方、吸気ポート２６の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された電磁駆動弁（吸気弁）２８によって開閉されるようになっており、これら吸気弁２８は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁駆動弁機構（以下、吸気側電磁駆動弁機構と記す）３０によって開閉弁駆動されるようになっている。
【００２８】また、排気ポート２７の各開口端はシリンダヘッド１ａに進退自在に支持された電磁駆動弁（排気弁）２９により開閉されるようになっており、これら排気弁２９は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁駆動弁機構（以下、排気側電磁駆動弁機構と記す）３１によって開閉弁駆動されるようになっている。
【００２９】ここで、吸気側電磁駆動弁機構３０と排気側電磁駆動弁機構３１の具体的な構成について詳述する。なお、吸気側電磁駆動弁機構３０と排気側電磁駆動弁機構３１とは同様の構成であるため、排気側電磁駆動弁機構３１のみを例に挙げて説明する。
【００３０】図２は、排気側電磁駆動弁機構３１の内部構造を概略的に示す側断面図である。同図２に示すように、排気側電磁駆動弁機構３１は、シリンダヘッド１ａの頂面から燃焼室２４（排気ポート２７）にかけて形成された貫通孔内に、軸体と弁体とを一体として備えた排気弁２９の軸体部分を組み込み、これを貫通孔に沿って直線的に往復動作（変位動作）させることにより燃焼室２４に臨む排気ポート２７の開口端を開閉する。
【００３１】先ず、シリンダヘッド１ａは、その頂面から燃焼室２４に向かって上層部材（アッパヘッド）１ａ'、中層部材（ミドルヘッド）１ａ''、及び下層部材（ロアヘッド）１ａ'''が積層された構造を有する。頂面から排気ポート２７にかけて形成される上記の貫通孔は、これら各層を貫通する３つの孔が連通して形成されることとなっている。
【００３２】これら３つの孔のうち、アッパヘッド１ａ'に形成された孔３００Ａには、同上層部材１ａ'の上下面それぞれの側から第１コア（上段）３０１及び第２コア（下段）３０２が組み込まれる。排気弁２９の軸体（弁軸）２９ｂは、これら第１コア３０１及び第２コア３０２によって取り囲まれた状態で支持され、その上端部を第１コア３０１の上面に延出させる。また、第１コア３０１及び第２コア３０２間に確保された間隙Ｇ１内には、弁軸２９ｂに周設された弁駆動体（アーマチャ）３０５が存在する。このアーマチャ３０５は、円板状の軟磁性体からなる。さらに、第１コア３０１において間隙Ｇ１に臨む部位には、第１の電磁コイル３０３が埋設されており、第２コア３０２において同じくＧ２に臨む部位には第２の電磁コイル３０４が埋設されている。
【００３３】アッパヘッド１ａ'の頂面には、下端部にフランジを形成する円筒形状のアッパキャップ３１０が、第１コイル３０１を覆うかたちで同フランジを介してボルト締着されている。アッパキャップ３１０の上端部は、その内径と同等の外径を有する円柱形状の蓋材３１０ａによって閉塞されている。蓋材３１０ａは、その外周面をアッパキャップ３１０の内周面に螺合することによって取り付けられている。アッパキャップ３１０の蓋材３１０ａ下面には、保持部材３１０ｂ及び同保持部材に上端部を保持された第１スプリング３０６が組み込まれている。第１スプリング３０６はその下端部を、弁軸２９ｂの上端部に固定されたアッパリテーナ３１１に当接させ、同アッパリテーナ３１１（弁軸２９ｂ）を燃焼室２４方向に向かって付勢している。
【００３４】ミドルヘッド１ａ''を貫通する孔３００Ｂ内では、排気弁２９の弁軸２９ｂがアッパヘッド１ａ'側、及びロアヘッド１ａ'''側に延設される二本の軸体として分離されている。機関運転中、熱膨張により弁軸２９ｂが伸長することによって弁としてのシール性機能を悪化させることが、この分離部位の存在によって防止される。また、分離された両軸体が互いに対峙する部位において、ロアヘッド側に延設される軸体の端部にはラッシュアジャスタ２９ｃが設けられている。このラッシュアジャスタ２９ｃは他方の軸体の端部に設けられたキャップ２９ｄとともに、孔３００Ｂ内に確保された所定空間Ｇ２に収容されることとなる。ラッシュアジャスタ２９ｃは、排気弁２９が全閉状態（最小リフト量）となったときにのみ油路Ｐ１を通じて供給されるオイルの油圧の作用を介して、その内部に設けられたプランジャをキャップ２９ｄに向かって押し出す機能を有する周知の機構である。このラッシュアジャスタの働きにより両軸体間のあそび（クリアランス）がなくなり両軸体が好適に連動することとなる。
【００３５】ミドルヘッド１ａ''の孔３００Ｂの一部（下部）は、これと連通するロアヘッド１ａ'''の孔３００Ｃの一部（上部）と併せて、ラッシュアジャスタ２９ｃよりも大きな内径を有する円柱形状のスプリング収容空間Ｇ３を形成している。スプリング収容空間Ｇ３の底面には、第２スプリング３０７が組み込まれている。第２スプリング３０７はその上端部を、弁軸２９ｂに周設固定されたロアリテーナ３１２に当接させ、同ロアリテーナ３１２（弁軸２９ｂ）をアッパキャップ３１０方向に向かって付勢している。
【００３６】スプリング収容空間Ｇ３につづき、同収容空間Ｇ３の内径より小さな内径を有する孔が、同収容空間Ｇ３の底面から排気ポート２７まで貫通する。このスプリング収容空間Ｇ３の底面から排気ポート２７まで貫通する孔の内周には、筒状のバルブガイド２０１が固定されている。この筒状のバルブガイド２０１は、弁軸２９ｂのうち、およそスプリング収容空間Ｇ３の底面から吸気ポート２６に亘る部分を軸方向に沿って進退自在に支持する。
【００３７】弁軸２９ｂの下端（排気ポート側端部）に固定された弁体２９ａは、燃焼室２４における排気ポート２６の開口端に設けられた弁座２００に着座もしくは離座することによって排気ポート２７の開閉を行う。
【００３８】なお、弁軸２９ｂの軸方向の長さは、アーマチャ３０５が所定の間隙Ｇ１において第１コア３０１と第２コア３０２との中間位置に保持されているとき、すなわちアーマチャ３０５が中立状態にあるときに、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、中開位置と記す）に保持されるよう設定されているものとする。
【００３９】このように構成された排気側電磁駆動弁機構３１では、第１の電磁コイル３０３及び第２の電磁コイル３０４へ励磁電流（指示電流）が通電されていない場合は、アーマチャ３０５が中立状態となり、それに伴って弁体２９ａが中開位置に保持される。
【００４０】排気側電磁駆動弁機構３１の第１の電磁コイル３０３に励磁電流が通電されると、第１コア３０１と第１の電磁コイル３０３とアーマチャ３０５との間には、アーマチャ３０５を第１コア３０１側へ変位させる方向の電磁力が発生する。
【００４１】一方、排気側電磁駆動弁機構３１の第２の電磁コイル３０４に指示電流が通電されると、第２コア３０２と第２の電磁コイル３０４とアーマチャ３０５との間には、アーマチャ３０５を第２コア３０２側へ変位させる方向の電磁力が発生する。
【００４２】すなわち排気側電磁駆動弁機構３１では、第１の電磁コイル３０３と第２の電磁コイル３０４とに交互に指示電流が通電されることにより、両電磁コイル３０３，３０４の電磁力とスプリング３０６，３０７の付勢力（バネ力）とが協働してアーマチャ３０５を進退させる。もって弁体２９ａが開閉弁駆動されることになる。このとき、スプリング３０６，３０７のバネ力によってアーマチャ３０５や弁体２９ａに固有振動が発生しているところに、電磁コイル３０３，３０４に対する指示電流の通電タイミングや通電量の変更が加味されることにより、排気弁２９の開閉弁タイミング（バルブタイミング）や開弁量を制御することが可能となる。
【００４３】なお、本実施の形態にかかる内燃機関１は、各気筒２１上に排気側電磁駆動弁機構３１を２体ずつ備える他、吸気弁２８を駆動して吸気ポート２６の開口端を開閉すべく、これら排気側電磁駆動弁機構３１とほぼ同等の構造及び機能を有する吸気側電磁駆動弁機構３０を同じく２体ずつ備えている。
【００４４】図３には、内燃機関１に備えられた各気筒２１（燃焼室２４）に連通する吸気ポート２６及び排気ポート２７それぞれの開口端の配置関係を概略的に示す上視図である。ちなみに、内燃機関１に備えられた全ての気筒２１について、吸気ポート２６及び排気ポート２７それぞれの開口端の配置関係は略同一であるものとする。
【００４５】同図３に示すように、本実施の形態にかかる内燃機関１では、気筒２１の頂面に向かって吸気ポート２６の開口端と、排気ポート２７の開口端とが各々２つずつ並列して配設される。また、吸気ポート２６の各開口端と、排気ポート２７の各開口端との直上には、各開口端に対応する吸気側電磁駆動弁機構３０（便宜上、３０Ａ，３０Ｂとして区別する）、若しくは排気側電磁駆動弁機構３１（同じく便宜上、３１Ａ，３１Ｂとして区別する）が取り付けられる。
【００４６】以上のように構成された内燃機関１には、同内燃機関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、以下ＥＣＵと記す）２０が併設されている（図１参照）。
【００４７】ＥＣＵ２０には、吸気側振動センサ３０ａ、排気側振動センサ３１ａ、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。
【００４８】ＥＣＵ２０には、イグナイタ２５ａ、吸気側電磁駆動弁機構３０、排気側電磁駆動弁機構３１、燃料噴射弁３２等が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ２０は、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、燃料噴射弁３２、吸気側電磁駆動弁機構３０、排気側電磁駆動弁機構３１等を各種駆動回路３０ｂ，３１ｂ等を介して駆動制御する。
【００４９】また、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と外部入力回路４０５と外部出力回路４０６とを備えた論理演算回路として構成されている。
【００５０】外部入力回路４０５は、吸気側振動センサ３０ａ、排気側振動センサ３１ａ、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等各種センサの出力信号をＣＰＵ４０１やＲＡＭ４０３へ送信する。
【００５１】外部出力回路４０６は、ＣＰＵ４０１から出力される制御信号をイグナイタ２５ａ、燃料噴射弁３２、吸気側電磁駆動弁機構３０、或いは排気側電磁駆動弁機構３１の各種駆動回路３０ｂ，３１ｂ等へ送信する。
【００５２】ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号に関するデータ、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ＮＥといったＣＰＵ４０１の演算結果等を記憶する。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。
【００５３】バックアップＲＡＭ４０４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る。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、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、周知の各種アプリケーションプログラムや、制御マップ等を記憶している。
【００５４】また、ＲＯＭ４０２は、吸気弁２８を所望の動作タイミングや動作速度をもって開閉弁駆動するための（吸気弁）開弁量制御ルーチンや、排気弁２９をこれも所望の動作タイミングや動作速度をもって開閉弁駆動するための（排気弁）開弁量制御ルーチンを記憶している。上述した各電磁駆動弁機構３０，３１の開閉弁駆動は、これら制御ルーチンに従ってＥＣＵ２０が出力する指令信号に基づいて行われる。
【００５５】ここで、ＥＣＵ２０が駆動回路３０ｂ、３１ｂを介して行う各電磁駆動弁機構３０、３１の駆動制御について、排気側電磁駆動弁機構３１を例にとって説明する。
【００５６】図５（ａ）〜（ｃ）は、排気側電磁駆動弁機構３１に取り付けられた排気弁２９が閉弁状態から開弁状態に移行する際、そのリフト量（図５（ａ）)、第２の電磁コイル３０４への通電される指示電流の電流値（図５（ｂ））、及び第１の電磁コイル３０３（図５（ｃ））へ通電される指示電流の電流値がどのように変化するのか、それぞれの変化態様を同一時間軸上に示すタイムチャートである。
【００５７】先ず、図５（ａ）に示すように、アーマチャ３０５が第１の電磁コイル３０３に当接（着座）した状態（最小リフト量）にある排気弁２９が、所定のタイミングで遷移（変位）を開始する。そして或る程度まで加速した後に所定の速度をもって上昇し、その後除々に減速して開弁状態になったところ（最大リフト量）で停止する。ちなみに、排気弁２９が閉弁位置（最小リフト量）に達する際には、弁体２９ａが気筒２１内の弁座へ到達（着座）するのとほぼ同時に、アーマチャ３０５が第１の電磁コイル３０３へ到達（着座）する。
【００５８】次に図５（ｂ）に示すように、排気弁２９を動作させるべく駆動回路３１ｂを介して第２の電磁コイル３０４に通電される指示電流の電流波形は、比較的大きな電流値Ｉ１を所定時間継続し、一旦電流値Ｉ２まで下げ、次に比較的小さな電流値Ｉ３を所定時間継続して、その後さらに小さな電流値Ｉ４を保持するといったものとなる。
【００５９】一方、図５（ｃ）に示すように、第１の電磁コイル３０３に通電する電流は、排気弁２９の開弁動作が開始される直前まで所定の電流値Ｉ５に保持する。この状態から同電流値Ｉ５を電流値Ｉ６まで降下させ、逆方向へ電流を流すことで排弁２９の開弁動作が開始される。電流値Ｉ６は、その後さらに所定の電流値Ｉ７（「０」値であるのが好適である）に切り替わる。
【００６０】すなわち、両電磁コイル３０３，３０４に全く通電が行われていない状態でも、アーマチャ３０５を中立状態に保持するスプリングの付勢力が働いている。このため、排気弁２９を閉弁状態に保持するには、所定値Ｉ５の電流（保持電流）が第１の電磁コイル３０３に通電されている必要がある。この保持電流の通電が中断されることで（時刻ｔ０）、スプリングの付勢力がアーマチャ３０５を中立状態に復元させる力として作用し、開弁動作が開始される。その後、時刻ｔ１において第２の電磁コイル３０４に所定量Ｉ１の電流が通電されることで、開弁動作が加速される。その後、一旦電流値を所定値Ｉ２まで降下させることによって排気弁２９は減速し、弁体２９ａ及びアーマチャ３０５がなめらかに着座する（時刻ｔｃ）。着座の直前及び直後には、電流値Ｉ２よりもやや大きな電流値Ｉ３をもって通電が行われる。その後は、アーマチャ３０５を中立状態に復元させるスプリングの付勢力にうち勝つだけの吸引力を第２の電磁コイル３０４に与える所定値Ｉ４の電流（保持電流）の通電が次回の閉弁動作の開始まで持続されることとなる。
【００６１】閉弁動作に関しては、第１の電磁コイル３０３への通電が上記閉弁動作における第２の電磁コイル３０４への通電と同様の態様で実行される一方、第２の電磁コイル３０４への通電が上記閉弁動作における第１の電磁コイル３０３への通電と同様の態様で実行される。
【００６２】また、吸気側電磁機構３０への通電態様と吸気弁２８の動作態様との関係も、上述した排気側電磁機構３１に関するものと同様である。このため、ここでの詳しい説明は割愛する。
【００６３】次に、上記排気弁２９の開閉弁動作に関し、両電磁コイル３０３，３０４への通電量を制御すべくＥＣＵ２０によって行われる制御手順の概要について、フローチャートを参照して説明する。
【００６４】図６には、第１の電磁コイル３０３及び第２の電磁コイル３０４へ供給される指示電流について、その電流量（電流値）、通電タイミング、及び通電時間を含めた電流の波形を決定するための「開弁量制御ルーチン」を示す。
【００６５】同ルーチンは、ＥＣＵ２０を通じて内燃機関１の始動と同時にその実行が開始されるとともに、所定時間毎に周期的に実行される。同ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ２０は先ず、ステップＳ１において、排気弁２９に対する開弁要求、若しくは閉弁要求が生じているか否かを判断する。そして、この判断が肯定である場合には続くステップＳ２に移行し、否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。
【００６６】ステップＳ２においては、機関回転数ＮＥに基づいて、現在の機関運転状態がどの機関回転数領域にあるのかを特定する。本実施の形態では、機関回転数ＮＥが予め設定された所定の機関回転数ＮＥ１を上回っている場合には高速回転域、所定の機関回転数ＮＥ１以下である場合には中低速回転域にあると認識するものとする。またこの他、同ステップＳ２においてＥＣＵ２０は、例えば機関負荷等運転状態を代表する他のパラメータの認識も行う。
【００６７】続くステップＳ３においては、上記ステップＳ２で認識した機関回転数領域や、運転状態を代表する他のパラメータに基づいて、目標となる開弁タイミング若しくは閉弁タイミングや弁体２９ａの変位速度を含めた各排気弁２９の動作態様を設定する。
【００６８】ここで設定された各排気弁２９の動作態様を実現すべく、後続のステップＳ４においては、駆動対象となる各排気弁２９（作動弁）について指示電流の電流波形を決定する。なお、ここでいう指示電流の電流波形とは、先の図５において説明した電流値Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６及びＩ７の大きさや通電開始タイミング、さらに当該各電流値間の切り替えタイミング等を意味する。
【００６９】そして、続くステップＳ５において、各排気側電磁駆動弁機構３１に対し、決定された電流波形からなる指示電流を駆動回路３１ｂ（図４参照）を通じ供給することとなる。
【００７０】上記処理手順に基づき、本ルーチンでは、内燃機関１の各気筒２１上に設けられた個々の排気側電磁駆動弁機構３１に排気弁２９の開閉弁動作を実行させる。なお、各吸気側電磁機構３０については、同一気筒上の各機構３０によって駆動される吸気弁２８が、機関回転数ＮＥに関わらず相互に同一のタイミングで開弁動作を行うこととなる他は、上記「開弁量制御ルーチン」と略同様の制御ロジックに従って駆動制御されることとなる。
【００７１】ところで、上記各排気弁２９に関する「開弁量制御ルーチン」において、ステップＳ３で排気弁２９の開弁タイミングを設定するにあたり現在の運転状態が高速回転域にある場合には、同一気筒２１上に設けられた排気側電磁駆動弁機構３１Ａ，３１Ｂ（図３参照）は同一タイミングで開閉弁駆動する。一方、現在の運転状態が低中速回転域にある場合には、同一気筒２１上に設けられた排気側電磁駆動弁機構３１Ａ，３１Ｂを異なるタイミングで開閉弁駆動することとなる。
【００７２】例えば図７は、現在の運転状態が低中速回転域にあるとＥＣＵ２０が認識した場合、排気側電磁駆動弁機構３１Ａ，３１Ｂによって駆動される各排気弁２９がどのような変化態様で開閉弁動作を行うこととなるのか、各々のリフト量推移を示すタイムチャートである。なお、同図中、実線Ａは排気側電磁駆動弁機構３１Ａに駆動される排気弁２９のリフト量推移を示し、一点鎖線Ｂは排気側電磁駆動弁機構３１Ｂに駆動される排気弁２９のリフト量推移を示す。また、制御対象となる各電磁駆動弁機構３１（３１Ａ，３１Ｂ）が設けられた気筒２１について、そのクランクシャフト２３の回転位相が下死点及び上死点にあるタイミングを、それぞれＢＤＣ（下死点）及びＴＤＣ（上死点）として時間軸（横軸）上に示す。
【００７３】同図７に示すように、各機構３１Ａ，３１Ｂによって駆動される排気弁が、相互に異なるタイミングで開弁動作し、所定時間最大リフト量を維持した後、今度は同一タイミングで閉弁動作を行うこととなっている。
【００７４】ちなみに、同一の条件下において、好適な運転状態の維持に要求される排気流出の態様を、両機構３１Ａ，３１Ｂが同一タイミングで排気弁を開弁動作することで達成する場合には、両機構３１Ａ，３１Ｂの排気弁は、共に破線で示されるリフト量推移を示すこととなる。この場合、機関回転数ＮＥに見合った好適な運転状態は確保されるものの、運転状態が中低速回転域にあるにも関わらず、高速回転域である場合と同等の態様で、排気ポート２７の開口端が急速に開放されることとなる。このため、燃焼室２４から吸気ポート２７への排気の急激な吐出が生じ、中低速回転域でありながら排気騒音が際だってしまう。さらに、中低速回転域特有の排気脈動が、この開口端の急な開放によって一層助長されてしまうこととなる。
【００７５】この点、本実施の形態によれば、各排気弁２９の開弁タイミングを相互に異ならせることにより、先ず、一方の排気弁２９の開弁動作を開始させ、その開弁量がある程度まで達したところで他方の排気弁２９の開弁動作を開始させるといった制御を行うこととなる。そしてこのような制御態様により、実質上、排気ポート２７の開口端を緩やかに開放することと同等の効果が得られ、排気の急激な吐出が抑制される。
【００７６】従って、中低速回転域における排気脈動が好適に抑制されて排気騒音の最小化が図られ、もって機関運転にかかる静粛性が向上することとなる。また、こうした効果を得るために、電磁駆動弁の動作速度（弁体の変位速度）を変更することもないため、スプリングのバネ力によって生じる固有振動により弁体の基本動作が決定づけられる電磁駆動弁にとっては、その制御にかかる信頼性や制御構造の簡易性においても優位性がある。
【００７７】なお、本実施の形態では、上記「開弁量制御ルーチン」（図６）において説明したように、機関回転数ＮＥが予め設定された所定の機関回転数ＮＥ１以下であれば現在の運転状態が中低速回転域にあるとＥＣＵ２０が認識し、同一気筒上の２本の排気弁２９の開弁タイミングを異ならせる制御を実行することとした。これに対し、基準となる機関回転数ＮＥを複数設定する等して、両排気弁２９間の相対的な開弁タイミングを、現在の機関回転数ＮＥに応じて複数段階、或いは無段階に変更することとしてもよい。この場合、機関回転数ＮＥが低くなるほど、両排気弁２９相互間における開弁タイミングのタイミング差は、大きくなるように設定しておく。また、単に機関回転数ＮＥのみによって、一義的に両排気弁２９の相対的なタイミングを変更する旨や、そのタイミング差を決定するばかりでなく、機関負荷や冷却水の温度等を加味することにより、現在の運転状態から推定される排気脈動の振幅や周波数に応じて、各排気弁２９の相対的なタイミングを制御することとしてもよい。
【００７８】また、本実施の形態にかかる内燃機関１のように、同一気筒上に吸気弁２８及び排気弁２９が２本ずつ設けられたものに限らず、例えば３本以上の排気弁を有する内燃機関に本発明を適用することもできる。この場合、各弁の相対的な開弁タイミングを適宜制御すればよいが、少なくとも、開弁タイミングを最も早くする排気弁と、開弁タイミングを最も遅くする排気弁とを決め、両者間における開弁タイミングのタイミング差を機関回転数ＮＥに応じて制御することとすれば、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することはできる。
【００７９】また、単気筒から構成されるか、複数気筒から構成されるかに関わらず、また同じ複数気筒から構成される内燃機関にしても、搭載気筒数に関わらず、同一気筒上に少なくとも複数の電磁駆動弁を排気弁として有する内燃機関であれば、上記排気弁に関する「開弁量制御ルーチン」の制御ロジックを適用して本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を得ることができる。例えば排気弁のみを電磁駆動弁として備え、吸気弁をカムシャフトの回転によって開閉弁駆動するものに本発明を適用することもできる。
【００８０】また、本実施の形態で採用することとした各電磁駆動弁機構３０，３１は、アーマチャの変位する両変位端にそれぞれ電磁コイルを備えるとともに、これとは別途に、２本のスプリングがアーマチャを中立位置に保持べく互いに対向する方向に向かって各リテーナ３１１、３１２を付勢する構成を有している。これに対し、アーマチャの変位方向に沿って、一方の側からのみスプリングが弁若しくは弁と連動する部材を付勢するとともに他方の側にはアーマチャの変位動作を規制する規制部材を設け、さらに、スプリングの付勢力と対向する方向のみに向かってアーマチャに吸引力が作用するように電磁石を配設するよう各電磁駆動弁機構を構成してもよい。
【００８１】また、本実施の形態にかかる電磁駆動弁機構３１（３０）では、弁軸２９ｂを２本の軸体に分離し、分離された両軸体間にラッシュアジャスタ機構を備えることとした。これに対し、こうしたラッシュアジャスタ機構を設けることなく、単に弁軸を２つの軸体に分離し、分離された両軸体の端部が適宜互いに当接するのみの構成としてもよい。さらに、分離部位自体をとくに設けることなく、弁軸を一本の軸体として形成してもよい。
【００８２】また、本実施の形態で採用することとした内燃機関１は、吸気経路（吸気ポート）に燃料を噴射供給するいわゆる４サイクルガソリンエンジンであるが、各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３２を具備したエンジンや、ディーゼルエンジン、さらには、２サイクルエンジンといった他の内燃機関にも本発明を適用することはできる。
【００８３】とくに、本実施の形態にかかる電磁駆動弁機構３０，３１のように、高い精度をもって吸気弁や排気弁の動作を制御することができる電磁駆動弁機構を搭載した内燃機関１では、スロットル弁３９を設けずに、吸気弁や排気弁の開閉弁操作のみをもって当該内燃機関１を運転させるシステム構成（いわゆるスロットルレス・システム）を適用することとしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】本発明によれば、各排気弁間における相対的な開閉弁タイミングを変更することにより、各弁体の変位速度そのものを変更することなく、排気流出口の実質的な開放速度を変化させることができるようになる。
【００８５】また、機関回転数が低くなる程、実質上、排気流出口を緩やかに開放されることとなり、排気脈動が好適に抑制され、とくに低中速回転域での機関運転にかかる静粛性が向上する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年２月２８日（２０００．２．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８９２４４
【弁理士】
【氏名又は名称】遠山 勉 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２４１３３７（Ｐ２００１−２４１３３７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月７日（２００１．９．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−５１９１８（Ｐ２０００−５１９１８） |
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