(57)【要約】【課題】  ユニフロー式２サイクルエンジンにおいて、シリンダボア及び燃焼室の新気充填率を制御する。【解決手段】  シリンダボア８に連通し、ピストン１４によって開閉される掃気孔１９と、下流端が掃気孔に連通した吸気通路６４と、シリンダボアに連続した燃焼室２２に連通し、排気弁３１によって燃焼室との連通状態が開閉される排気通路６９と、吸気通路に設けられた過給機７０とを有するユニフロー式２サイクルエンジン１であって、燃焼室と吸気通路の過給機よりも上流側とを連通する戻し通路７７と、燃焼室と戻し通路との間を開閉する戻し弁３２とを有し、戻し弁が排気弁に遅れて開かれるようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボアに連通し、ピストンによって開閉される掃気孔と、下流端が前記掃気孔に連通した吸気通路と、前記シリンダボアに連続した燃焼室に連通し、排気弁によって前記燃焼室との連通状態が開閉される排気通路と、前記吸気通路に設けられた過給機とを有するユニフロー式２サイクルエンジンであって、
前記燃焼室と前記吸気通路の前記過給機よりも上流側とを連通する戻し通路と、
前記燃焼室と前記戻し通路との間を開閉する戻し弁とを有し、
前記戻し弁が、前記排気弁に遅れて開かれることを特徴とするユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項２】
前記吸気通路において、前記戻し通路が連通する部分の下流側かつ前記過給機の上流側と前記過給機の下流側とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するバイパス弁とを更に有することを特徴とする請求項１に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項３】
前記排気通路に設けられ、前記排気通路内のガスの成分を検出するガスセンサを更に有し、前記バイパス弁が前記ガスセンサの検出値に基づいて制御されることを特徴とする請求項２に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項４】
前記吸気通路に設けられ、前記掃気孔を通して前記シリンダボアに流入するガスの流量を検出する第１流量センサと、
前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を通過するガスの流量を検出する第２流量センサと、
前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を開閉する戻し通路弁とを有し、
前記第１流量センサ及び前記第２流量センサの検出値に基づいて前記戻し通路弁及び前記戻し弁の少なくとも一方が制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項５】
エンジン出力が大きくなるにつれて、前記戻し通路を通過するガスの流量が小さくなるように前記戻し通路弁及び前記戻し弁の少なくとも一方が制御されることを特徴とする請求項４に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項６】
前記吸気通路に設けられ、前記掃気孔を通して前記シリンダボアに流入するガスの流量を検出する第１流量センサと、
前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を通過するガスの流量を検出する第２流量センサとを有し、
前記戻し弁は、前記第１流量センサ及び前記第２流量センサの検出値に基づいて開度が制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項７】
前記戻し弁は、クランクシャフトの回転に応じて回転するカムシャフトによって駆動される動弁機構に開閉され、
前記動弁機構は、前記戻し弁のリフトを変更することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【請求項８】
前記シリンダボア及び前記燃焼室の新気の充填率を１００％以上にする場合には、前記戻し弁を閉状態に維持することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のユニフロー式２サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユニフロー式２サイクルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
２サイクルエンジンにおいて、シリンダボアに連通し、ピストンによって開閉される掃気孔と、掃気孔に連通した吸気通路と、シリンダボアに連続した燃焼室に連通し、排気弁によって燃焼室との連通状態が開閉される排気通路と、吸気通路に設けられた過給機としてのスーパーチャージャとを有するユニフロー式２サイクルエンジンが公知となっている（例えば、特許文献１）。ユニフロー式２サイクルエンジンでは、掃気孔と排気通路とが共に開かれる期間が設定され、スーパーチャージャによって加圧された空気がシリンダボアの下部から燃焼室へ一方向に流れることによって、掃気が確実に行われ、既燃焼ガスがシリンダボア内に残留し難くなる。
【０００３】
このようなユニフロー式２サイクルエンジンでは、掃気孔及び排気通路が共に開かれた状態で掃気を行うため、新気がシリンダボア内に留まらず排気通路へと流出する、新気の吹き抜けが発生する虞がある。新気の吹き抜けが発生すると、排気通路における酸素濃度が過剰になり、排気浄化装置に使用される三元触媒や還元触媒に酸素が多量に吸着され、触媒による浄化効率が低下するという問題がある。特許文献１に係るユニフロー式２サイクルエンジンは、吸気通路にスーパーチャージャを迂回するバイパス通路と、バイパス通路の流路断面積を変更するバイパス弁とを有し、バイパス弁の開度を変化させることによって掃気圧（掃気流量）を変化させることができる。そのため、掃気圧を調整することによって、新気の吹き抜けを低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６９６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、新気の吹き抜け量を低減させるために掃気圧を制御すると、シリンダボアの新気充填率（新気充填量）を変化させるために掃気を制御することができなくなり、エンジン出力に応じて新気充填率を変更することができなくなる。そのため、シリンダボアの新気充填率を制御するために、掃気圧の制御以外の手法が必要となる。
【０００６】
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、ユニフロー式２サイクルエンジンにおいて、シリンダボア及び燃焼室の新気充填率を制御することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、シリンダボア（８）に連通し、ピストン（１４）によって開閉される掃気孔（１９）と、下流端が前記掃気孔に連通した吸気通路（６４）と、前記シリンダボアに連続した燃焼室（２２）に連通し、排気弁（３１）によって前記燃焼室との連通状態が開閉される排気通路（６９）と、前記吸気通路に設けられた過給機（７０）とを有するユニフロー式２サイクルエンジン（１）であって、前記燃焼室と前記吸気通路の前記過給機よりも上流側とを連通する戻し通路（７７）と、前記燃焼室と前記戻し通路との間を開閉する戻し弁（３２）とを有し、前記戻し弁が、前記排気弁に遅れて開かれることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、ユニフロー式２サイクルエンジンは、戻し通路と、排気弁に遅れて開かれる戻し弁とを有するため、排気弁が閉じられた後に、戻し通路を介してシリンダボア及び燃焼室内のガスを吸気通路に戻すことができる。これにより、シリンダボア及び燃焼室に充填される新規の充填率（充填量）を変化させることができる。
【０００９】
また、上記の発明において、ユニフロー式２サイクルエンジンは、前記吸気通路において、前記戻し通路が連通する部分の下流側かつ前記過給機の上流側と前記過給機の下流側とを連通するバイパス通路（７２）と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁（７３）とを更に有するとよい。
【００１０】
この構成によれば、バイパス弁を開くことによって、過給機を通過した新気の一部を、バイパス通路を通して吸気通路の上流側に戻すことができるため、掃気圧を変更することができる。
【００１１】
また、上記の発明において、ユニフロー式２サイクルエンジンは、前記排気通路に設けられ、前記排気通路内のガスの成分を検出するガスセンサ（８８）を更に有し、前記バイパス弁が前記ガスセンサの検出値に基づいて制御される。ガスセンサは、例えば、ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ（Ｏ２センサ）や、ガスの窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ（窒素酸化物濃度センサ）であってよい。
【００１２】
この構成によれば、ガスセンサによって排気通路内のガス成分を検出するため、排気通路内のガスが酸素過剰であるか否か、すなわち新気の吹き抜けが発生しているか否かを判断することができる。これにより、新気の吹き抜けが発生している場合には、バイパス弁を開いて掃気圧を低下させる等、新気の吹き抜け量を低減させることができる。
【００１３】
また、上記の発明において、ユニフロー式２サイクルエンジンは、前記吸気通路に設けられ、前記掃気孔を通して前記シリンダボアに流入するガスの流量を検出する第１流量センサ（８６）と、前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を通過するガスの流量を検出する第２流量センサ（８７）と、前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を開閉する戻し通路弁（７８）とを有し、前記第１流量センサ及び前記第２流量センサの検出値に基づいて前記戻し通路弁及び前記戻し弁の少なくとも一方が制御されるようにするとよい。
【００１４】
この構成によれば、戻し弁及び戻し通路弁の少なくとも一方の開度を変更することによって、シリンダボア及び燃焼室から戻し通路を通って吸気通路の上流側に戻るガス量を制御することができる。第１流量センサの検出値からシリンダボア及び燃焼室に流入するガス量を得ることができ、第２流量センサの検出値からシリンダボア及び燃焼室から流出するガス量を得ることができるため、シリンダボア及び燃焼室に流入するガス量とシリンダボア及び燃焼室から流出するガス量との差からシリンダボア及び燃焼室内に留まるガス量、すなわち新気充填量（新気充填率）を得ることができる。そのため、第１流量センサ及び第２流量センサの検出値から得た新気充填率に基づいて戻し弁及び戻し通路弁の少なくとも一方の開度を変更することによって、目標とする新気充填率を達成することができる。
【００１５】
また、上記の発明において、エンジン出力が大きくなるにつれて、前記戻し通路を通過するガスの流量が小さくなるように前記戻し通路弁及び前記戻し弁の少なくとも一方が制御されるようにするとよい。
【００１６】
この構成によれば、エンジン出力が増大するにつれて新気充填率（量）が増大するため、エンジン出力に応じた新気充填率を達成することができる。
【００１７】
また、上記の発明において、ユニフロー式２サイクルエンジンは、前記吸気通路に設けられ、前記掃気孔を通して前記シリンダボアに流入するガスの流量を検出する第１流量センサ（８６）と、前記戻し通路に設けられ、前記戻し通路を通過するガスの流量を検出する第２流量センサ（８７）とを有し、前記戻し弁は、前記第１流量センサ及び前記第２流量センサの検出値に基づいて開度が制御されるようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、戻し弁の開度を変更することによって戻し通路を通過するガス量、すなわちシリンダボア及び燃焼室から流出するガス量を制御するため、戻し通路弁を省略することができる。
【００１９】
また、上記の発明において、前記戻し弁は、クランクシャフトの回転に応じて回転するカムシャフトによって駆動される動弁機構に開閉され、前記動弁機構は、前記戻し弁のリフトを変更してもよい。
【００２０】
この構成によれば、戻し弁は公知の動弁機構によって駆動される。このような動弁機構では、バルブリフト量を変更可能なものが公知となっているため、この構成を利用することによって、容易に戻し弁のリフト量を変化させることができる。
【００２１】
また、上記の発明において、前記シリンダボア及び前記燃焼室の新気の充填率を１００％以上にする場合には、前記戻し弁を閉状態に維持してもよい。
【００２２】
この構成によれば、新気充填率を過給域に設定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上の構成によれば、ユニフロー式２サイクルエンジンにおいて、シリンダボア及び燃焼室の新気充填率を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関を示す構成図
【図２】第１実施形態に係る内燃機関の制御ブロック図
【図３】第１実施形態に係る内燃機関の排気弁及び戻し弁のバルブタイミングを示す説明図
【図４】第２実施形態に係る内燃機関を示す構成図
【図５】第２実施形態に係る内燃機関の制御ブロック図
【図６】第２実施形態に係る内燃機関の排気弁及び戻し弁のバルブタイミングと目標新気充填率に応じた戻し弁のバルブリフト量を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明を自動車の内燃機関に適用した実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る内燃機関１を示す構成図である。図１に示すように、内燃機関１は、ユニフロー式２サイクルエンジンであり、シリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に設けられたシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４の上部に設けられたヘッドカバー５と、シリンダブロック３の下部に設けられたオイルパン６とを有している。
【００２７】
シリンダブロック３の上部には、上端面に開口するシリンダボア８が形成されている。シリンダブロック３の下部は、下方に向けて開口したクランクケース９を形成している。クランクケース９の下部には、開口を閉じるようにオイルパン６が接合されている。クランクケース９の内側は、クランク室１１を形成している。クランク室１１には、シリンダボア８の下端が連通している。クランクケース９にはクランクシャフト１２が回転可能に支持されている。シリンダボア８には、シリンダボア８の軸線方向に沿って摺動可能にピストン１４が受容されている。ピストン１４は、コネクティングロッド１５を介してクランクシャフト１２に連結されている。
【００２８】
シリンダブロック３のシリンダボア８の周囲には、シリンダボア８を囲むように環状の掃気室１８が形成されている。シリンダボア８と掃気室１８とは、複数の掃気孔１９によって連通している。複数の掃気孔１９は、シリンダボア８の周方向に沿って、互いに等間隔となるように配置されている。また、各掃気孔１９は、ピストン１４が所定の位置より下死点側に位置するときに、シリンダボア８と掃気室１８とを連通し、所定の位置より上死点側に位置するときにピストン１４の側部（スカート部）によって閉塞され、シリンダボア８と掃気室１８との連通を遮断する位置に設けられている。
【００２９】
シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上端面に接合されている。シリンダヘッド４は、シリンダボア８の上端に対向する部分に燃焼室凹部２１が凹設されている。燃焼室凹部２１は、ピストン１４の頂部との間に燃焼室２２を形成する。シリンダヘッド４には、燃焼室２２に先端が臨むようにインジェクタ２４及び点火プラグ２５が設けられている。
【００３０】
燃焼室凹部２１には、排気ポート２７及び戻しポート２８のそれぞれの一端が開口している。排気ポート２７は他端側がシリンダヘッド４の一側の側部へと延びて開口し、戻しポート２８は他端側がシリンダヘッド４の他側の側部へと延びて開口している。排気ポート２７及び戻しポート２８の数は、適宜変更してよい。例えば、２つの排気ポート２７と１つの戻しポート２８としてもよく、排気ポート２７及び戻しポート２８をそれぞれ２つずつとしてもよい。
【００３１】
排気ポート２７と燃焼室凹部２１との境界には、排気ポート２７を開閉する排気弁３１が設けられ、戻しポート２８と燃焼室凹部２１との境界には、戻しポート２８を開閉する戻し弁３２が設けられている。排気弁３１及び戻し弁３２は、ポペット弁であり、バルブスプリング３３によって閉位置に付勢されている。排気弁３１は排気側動弁機構３５によって開閉駆動され、戻し弁３２は戻し側動弁機構３６によって開閉駆動される。排気側動弁機構３５及び戻し側動弁機構３６は、それぞれクランクシャフト１２によって駆動され、クランクシャフト１２の回転に応じたタイミングで排気弁３１及び戻し弁３２を開く。
【００３２】
排気側動弁機構３５は、シリンダヘッド４に回転可能に支持された排気カムシャフト４１と、シリンダヘッド４に支持された排気ロッカシャフト４２と、排気ロッカシャフト４２に回転可能に支持された排気ロッカアーム４３とを有している。排気カムシャフト４１は、タイミングベルトやタイミングチェーン等の駆動力伝達部材（不図示）を介してクランクシャフト１２に連結され、クランクシャフト１２と同じ回転数で回転する。排気カムシャフト４１は、自身に設けられた排気カム４４で排気ロッカアーム４３を所定のタイミングで押し、排気カムシャフト４１に駆動された排気ロッカアーム４３は、バルブスプリング３３の付勢力に抗して排気弁３１を開方向に押す。これにより、排気弁３１が燃焼室２２と排気ポート２７とを連通する。このように、排気側動弁機構３５は、クランクシャフト１２の回転に応じた所定のタイミングで排気弁３１を開く。
【００３３】
戻し側動弁機構３６は、戻し弁３２の開弁を選択的に中止することができるバルブ休止機能を備えている。戻し側動弁機構３６は、シリンダヘッド４に回転可能に支持された戻しカムシャフト５１と、シリンダヘッド４に支持された戻しロッカシャフト５２と、戻しロッカシャフト５２に互いに独立して回転可能に支持された第１及び第２戻しロッカアーム５３Ａ、５３Ｂと、第１及び第２戻しロッカアーム５３Ａ、５３Ｂの間に設けられた連結ピン５５とを有する。連結ピン５５は、第１戻しロッカアーム５３Ａに形成された第１孔（不図示）及び第２戻しロッカアーム５３Ｂに形成された第２孔（不図示）の少なくとも一方に配置され、第１孔及び第２孔の両方の内部に跨って位置した連結位置と、第１孔及び第２孔の一方の内部のみに位置した切断位置との間を油圧装置（不図示）が生じる油圧によって移動する。連結ピン５５が連結位置にあるときには、第１及び第２戻しロッカアーム５３Ａ、５３Ｂは連結ピン５５によって連結されて一体に変位する。一方、連結ピン５５が切断位置にあるときには、第１及び第２戻しロッカアーム５３Ａ、５３Ｂは独立して変位する。
【００３４】
戻しカムシャフト５１は、自身に設けられた戻しカム５８で第１戻しロッカアーム５３Ａを押す。連結ピン５５が連結位置にあるときには、第１戻しロッカアーム５３Ａの変位に応じて第２戻しロッカアーム５３Ｂが駆動され、第２戻しロッカアーム５３Ｂは、バルブスプリング３３の付勢力に抗して戻し弁３２を開方向に押す。これにより、戻し弁３２が燃焼室２２と戻しポート２８とを連通する。一方、連結ピン５５が切断位置にあるときには、第１戻しロッカアーム５３Ａが変位しても第２戻しロッカアーム５３Ｂは変位せず、戻し弁３２は駆動されない。すなわち、連結ピン５５が切断位置にあるとるときには戻し弁３２は休止される。戻しカムシャフト５１は、タイミングベルトやタイミングチェーン等の駆動力伝達部材（不図示）を介してクランクシャフト１２に連結され、クランクシャフト１２と同じ回転数で回転する。
【００３５】
図３は、第１実施形態に係る内燃機関１の排気弁３１及び戻し弁３２のバルブタイミングを示す説明図である。図３に示すように、ユニフロー２サイクルエンジンである内燃機関１は、クランクシャフト１２の１回転（３６０°）で１周期が完結し、燃焼はピストン１４が上死点（ＴＤＣ）に位置するときに行われる。ピストン１４の下降によって掃気孔１９が開かれる期間を掃気工程とすると、掃気工程はピストン１４が下死点（ＢＤＣ）に位置するクランク回転角θが１８０°の位置を中央として前後に同じ角度範囲を有する。
【００３６】
排気弁３１は、ピストン１４が上死点から下死点（ＢＤＣ）へと下降するときであって、掃気孔１９が開かれる前に開かれる。そして、排気弁３１は、ピストン１４が下死点を通過した直後であって、掃気孔１９が閉じられる前に閉じられる。戻し弁３２は、排気弁３１に遅れて開かれ、ピストン１４が上死点に到達する前に閉じられる。詳細には、戻し弁３２は、掃気孔１９が開かれた後に開き、掃気孔１９が閉じられた後に閉じられる。好ましくは、戻し弁３２は、排気弁３１が最大リフトとなった以降に開かれる。より好ましくは、戻し弁３２は、排気弁３１が閉じられた直後に開かれる。なお、排気弁３１及び戻し弁３２の、開閉タイミングにおいて、それぞれの緩衝曲線部に起因するリフトは考慮しないものとする。例えば、排気弁３１の緩衝曲線部に起因するリフトと、戻し弁３２の緩衝曲線部に起因するリフトのみとが互いに重なり合っていても、排気弁３１と戻し弁３２とは互いに重なり合っておらず、戻し弁３２は排気弁３１が閉じられた後に閉じられたものとする。
【００３７】
シリンダブロック３には、掃気室１８から外面へと延びる吸気ポート６１が形成されている。シリンダブロック３の外面には、吸気ポート６１に連通するように吸気管６２の下流端が接合されている。吸気管６２の上流端は吸気入口６３を構成する。吸気管６２の内側の通路、吸気ポート６１、及び掃気室１８は吸気通路６４を構成し、掃気孔１９を介してシリンダボア８と連通している。
【００３８】
シリンダヘッド４には、排気ポート２７に連通するように排気管６６の上流端が接合されている。排気管６６の経路上には、上流側から排気浄化装置６７、マフラー（不図示）が設けられ、排気管６６の下流端は排気出口６８を構成する。排気ポート２７及び排気管６６の内側の通路は、排気通路６９を構成し、上流端が燃焼室２２に連通している。排気浄化装置６７は、酸化触媒や還元触媒等を含み、酸化や還元によって排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等を除去する装置である。本実施形態では、排気浄化装置６７は三元触媒を含む。
【００３９】
吸気管６２の経路上には、過給機７０が設けられている。過給機７０は、機械式過給機及び排気タービン式過給機のいずれであってもよい。機械式過給機は、クランクシャフト１２の回転力を駆動力とするものや、電動モータの回転力を駆動力とするものであってよい。本実施形態では、過給機７０は、ルーツブロアであり、クランクシャフト１２と図示しないベルト等の駆動力伝達部材によって連結され、駆動される。
【００４０】
吸気管６２には、過給機７０を迂回するようにバイパス管７１が設けられている。バイパス管７１の内側に形成されるバイパス通路７２は、その一端（上流端）が吸気通路６４の過給機７０よりも吸気入口６３側（上流側）に連通し、その他端（下流端）が吸気通路６４の過給機７０よりも掃気孔１９側（下流側）に連通している。バイパス管７１には、バイパス通路７２の開度（流路断面籍）を連続的に変更可能なバイパス弁７３が設けられている。バイパス弁７３は、バタフライ弁等の公知の弁であってよい。
【００４１】
シリンダヘッド４の側部には、戻しポート２８に連通するように戻し管７５の一端が接合されている。戻し管７５の他端は、吸気管６２におけるバイパス管７１の吸気入口６３側の端部（上流端）よりも吸気入口６３側（上流側）に接合されている。戻し管７５の内側の通路及び戻しポート２８は、戻し通路７７を構成し、燃焼室２２と、吸気通路６４におけるバイパス通路７２の上流端よりも上流側とを連通している。戻し管７５には、戻し通路７７の開度（流路断面籍）を連続的に変更可能な戻し通路弁７８が設けられている。戻し通路弁７８は、バタフライ弁等の公知の弁であってよい。
【００４２】
吸気管６２において、バイパス管７１の過給機７０の下流側に位置する端部と、掃気室１８との間の部分には、その内側を流れるガスの流量を検出する第１エアフローセンサ８６が設けられている。第１エアフローセンサ８６は、吸気通路６４から掃気孔を通過してシリンダボア８及び燃焼室２２に流入するガスの流量を検出する。戻し管７５の戻し弁３２よりも吸気管６２側には、その内側の戻し通路７７を流れるガスの流量を検出する第２エアフローセンサ８７が設けられている。第２エアフローセンサ８７は、戻し通路７７を流れるガスの流量を検出する。第１及び第２エアフローセンサ８６、８７は、公知のホットワイヤー式や、フラップ式、カルマン渦式等の公知のエアフローセンサであってよい。
【００４３】
排気管６６の排気浄化装置６７よりも上流側には、その内側を流れるガスの酸素濃度を検出する酸素センサ（Ｏ２センサ）８８が設けられている。酸素センサ８８は、排気通路６９の排気浄化装置６７よりも上流側を流れるガスの酸素濃度ＣＯを検出する。
【００４４】
クランクケース９には、クランクシャフト１２の回転角を検出するクランク角センサ９１が設けられている。また、自動車のアクセルペダル（不図示）には、アクセルペダルの踏み込み量に対応する操作量を検出するアクセルペダルセンサ９２が設けられている（図２参照）。アクセルペダル操作量θＡＣは、運転者の加速要求に対応するパラメータである。
【００４５】
自動車には、内燃機関１を制御するＥＣＵ１００が設けられている。ＥＣＵ１００は、マイクロプロセッサや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。
【００４６】
図２を参照して、ＥＣＵ１００による制御について説明する。ＥＣＵ１００には、第１エアフローセンサ８６、第２エアフローセンサ８７、酸素センサ８８、クランク角センサ９１、及びアクセルペダルセンサ９２の検出信号を含む信号が入力される。ＥＣＵ１００は、バイパス弁７３、戻し通路弁７８、戻し側動弁機構３６及びインジェクタ２４を制御する。ＥＣＵ１００には、エンジン回転数演算部１０１、目標出力演算部１０２、目標燃料噴射量演算部１０３、目標新気充填率演算部１０５、過給判定部１０６、目標戻し通路弁開度演算部１０７、目標掃気圧演算部１０９、目標バイパス弁開度演算部１１０、インジェクタ制御部１１３、戻し側動弁機構制御部１１４、戻し通路弁制御部１１５、バイパス弁制御部１１６が構成されている。これらの各種演算部及び各種制御部は、電子回路（ハードウェア）やプログラミングされたソフトウェアによって実現されてよい。
【００４７】
エンジン回転数演算部１０１は、クランク回転角θから単位時間当たりのエンジン回転数Ｎｅ（クランク回転数）を演算するものである。エンジン回転数演算部１０１は、クランク角センサ９１からのクランク回転角θに対応する検出信号に基づいて、クランク回転角θを時間で微分し、エンジン回転数Ｎｅを演算する。
【００４８】
目標出力演算部１０２は、運転者の出力要求に対応するアクセルペダル操作量θＡＣから目標出力Ｏｐ（目標負荷）を演算するものである。目標出力演算部１０２は、アクセルペダル操作量θＡＣと目標出力Ｏｐとの対応マップや数式等に基づいて、アクセルペダルからのアクセルペダル操作量θＡＣに対応する検出信号から内燃機関１の目標出力Ｏｐを演算する。目標出力Ｏｐは、アクセルペダル操作量θＡＣが増大するにつれて増大するように設定される。
【００４９】
目標燃料噴射量演算部１０３は、目標出力Ｏｐに対応した目標燃料噴射量ＩＶを演算する。目標燃料噴射量演算部１０３は、目標出力Ｏｐと目標燃料噴射量ＩＶとの対応マップや数式等に基づいて、目標出力演算部１０２が演算した目標出力Ｏｐから目標燃料噴射量ＩＶを演算する。目標燃料噴射量ＩＶは、目標出力Ｏｐが増大するにつれて増大するように設定される。
【００５０】
インジェクタ制御部１１３は、インジェクタ２４の燃料噴射量が目標燃料噴射量ＩＶと等しくなるように、インジェクタ２４に制御信号を出力する。例えば、予め設定された目標燃料噴射量ＩＶと目標インジェクタ電圧ＥＩとの対応マップや数式等に基づいて目標インジェクタ電圧ＶＩが演算され、この目標インジェクタ電圧ＥＩが制御信号としてインジェクタ２４に出力される。
【００５１】
目標新気充填率演算部１０５は、目標出力Ｏｐに対応した目標新気充填率Ｆｔを演算する。新気充填率は、シリンダボア８及び燃焼室２２に充填する新気の量を基準体積に対する割合として表したものである。基準体積は、掃気工程が終了した直後、すなわち掃気孔１９が閉じられたときのシリンダボア８及び燃焼室２２の体積とする。目標新気充填率演算部１０５は、目標出力Ｏｐと目標新気充填率Ｆｔとの対応マップや数式等に基づいて、目標出力演算部１０２が演算した目標出力Ｏｐから目標新気充填率Ｆｔを演算する。目標新気充填率Ｆｔは、目標出力Ｏｐが増大するにつれて増大するように設定される。
【００５２】
過給判定部１０６は、目標新気充填率Ｆｔが過給域に属するか否かを判定する。過給判定部１０６は、目標新気充填率演算部１０５が演算した目標新気充填率Ｆｔが１００％以上であるか否かを判定し、１００％以上である場合には過給域に属すると判定し、１００％未満である場合には過給域に属しないと判定する。
【００５３】
戻し側動弁機構制御部１１４は、目標新気充填率Ｆｔが過給域に属する場合に戻し側動弁機構３６を休止制御し、過給域に属しない場合に戻し側動弁機構３６を駆動制御する。戻し側動弁機構制御部１１４は、戻し側動弁機構３６（詳細には戻し側動弁機構３６の油圧装置）に信号Ｅｃを出力する。信号Ｅｃを受けた戻し側動弁機構３６（詳細には戻し側動弁機構３６の油圧装置）は、信号Ｅｃに応じた油圧を発生させ、戻し側動弁機構３６を休止制御する場合には連結ピン５５を休止位置に移動させ、戻し側動弁機構３６を駆動制御する場合には連結ピン５５を連結位置に移動させる。
【００５４】
目標戻し通路弁開度演算部１０７は、目標新気充填率Ｆｔに対応した目標新気充填量を演算し、掃気孔１９を通してシリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１（第１エアフローセンサ８６の検出値）と、戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２（第２エアフローセンサ８７の検出値）との差が目標新気充填量と等しくなるように、目標戻し通路弁開度Ｖ１を演算する。目標戻し通路弁開度演算部１０７は、目標新気充填率演算部１０５が演算した目標新気充填率Ｆｔと、シリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１に対応した第１エアフローセンサ８６の検出信号と、戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２に対応した第２エアフローセンサ８７の検出信号とに基づいて目標戻し通路弁開度Ｖ１を演算する。目標戻し通路弁開度Ｖ１は、目標新気充填率Ｆｔが増大するにつれて減少するように設定され、目標新気充填率Ｆｔが１００％以上で目標戻し通路弁開度Ｖ１は０％に設定される。
【００５５】
戻し通路弁制御部１１５は、戻し通路弁７８の開度が目標戻し通路弁開度Ｖ１と等しくなるように、戻し通路弁７８に制御信号を出力する。例えば、予め設定された目標戻し通路弁開度Ｖ１と目標戻し通路弁電圧ＥＶ１との対応マップや数式等に基づいて目標戻し通路弁電圧ＥＶ１が演算され、この目標戻し通路弁電圧ＥＶ１が制御信号として戻し通路弁７８に出力される。
【００５６】
目標掃気圧演算部１０９は、目標出力Ｏｐに対応した目標掃気圧Ｐを演算する。掃気圧は、掃気工程における掃気室１８の圧力に相当する。目標掃気圧演算部１０９は、目標出力Ｏｐと目標掃気圧Ｐとの対応マップや数式等に基づいて、目標出力演算部１０２が演算した目標出力Ｏｐから目標掃気圧Ｐを演算する。目標掃気圧Ｐは、目標出力Ｏｐが増大するにつれて増大するように設定される。
【００５７】
目標バイパス弁開度演算部１１０は、目標掃気圧Ｐに対応した目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂを設定し、この目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂを排気通路６９の酸素濃度Ｃｏによって補正して目標バイパス弁開度Ｖ２を演算する。目標掃気圧演算部１０９は、目標掃気圧Ｐと目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂとの対応マップや数式等に基づいて、目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂを演算する。また、目標掃気圧演算部１０９は、酸素濃度Ｃｏと補正係数Ｋとの対応マップや数式等に基づいて、補正係数Ｋを演算する。そして、目標掃気圧演算部１０９は、目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂに補正係数Ｋを乗じることによって目標バイパス弁開度Ｖ２を演算する。目標バイパス弁開度Ｖ２は、目標掃気圧Ｐが大きくなるほど小さく設定され、かつ酸素濃度Ｃｏが大きくなるほど小さく設定される。なお、他の実施形態では、酸素濃度Ｃｏから補正量Ｋ２を演算し、目標バイパス弁開度ベース値Ｖ２ｂから補正量Ｋ２を減じる構成としてもよい。
【００５８】
バイパス弁制御部１１６は、バイパス弁７３の開度が目標バイパス弁開度Ｖ２と等しくなるように、バイパス弁７３に制御信号を出力する。例えば、予め設定された目標バイパス弁開度Ｖ２と目標バイパス弁電圧ＥＶ２との対応マップや数式等に基づいて目標バイパス弁電圧ＥＶ２が演算され、この目標バイパス弁電圧ＥＶ２が制御信号としてバイパス弁７３に出力される。
【００５９】
以上のように構成した内燃機関１の作用について説明する。アクセルペダルが踏み込まれることによって目標出力Ｏｐが大きくなると、目標燃料噴射量ＩＶ及び目標新気充填率Ｆｔが大きくなる。これにより、燃焼によってシリンダボア８及び燃焼室２２に生じる既燃焼ガスの体積が大きくなる。このとき、目標出力Ｏｐが大きくなるにつれて目標掃気圧Ｐが大きくなるように設定され、バイパス弁７３によって適切な掃気圧が実現されるため、既燃焼ガスの増加に応じた掃気が可能になる。また、バイパス弁７３の開度は、排気通路６９の酸素濃度Ｃｏに基づいて補正されるため、新気の吹き抜けが防止される。このように、掃気はバイパス弁７３の開度を変更することによって制御され、バイパス弁７３の開度は排気通路６９の酸素濃度Ｃｏに基づいて補正されるため、シリンダボア８及び燃焼室２２から既燃焼ガスが確実に排出されると共に、新気の吹き抜けが抑制される。
【００６０】
目標新気充填率Ｆｔは、第１エアフローセンサ８６及び第２エアフローセンサ８７の検出値に基づいて戻し通路弁７８の開度を変更することによって実現される。第１エアフローセンサ８６の検出信号はシリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１に対応し、第２エアフローセンサ８７の検出信号は戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２に対応するため、シリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１から戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２を減じることによってシリンダボア８及び燃焼室２２内に充填された新気充填率を得ることができる。新気流量Ｆ１と新気流量Ｆ２とから得られた新気充填率が目標新気充填率Ｆｔと等しくなるように目標戻し通路弁開度Ｖ１を制御することによって、新気充填率を目標値に一致させることができる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る内燃機関１では、排気弁３１に遅れて開かれる戻し弁３２によって戻し通路７７が開かれ、戻し通路弁７８の開度によって戻し通路７７を流れるガス量が制御して新気充填率を制御することができる。戻し通路弁７８の開度制御は、バイパス弁７３の開度制御と独立して行われるため、既燃焼ガスの排出を確実に行うと共に新気の吹き抜けを抑制するための掃気圧を調整と、新気充填率の調整とを同時に両立して行うことができる。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、図４〜図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る内燃機関１５０を説明する。第２実施形態に係る内燃機関１５０は、第１実施形態に係る内燃機関１と比較して戻し側動弁機構１５１が可変バルブリフト機構である点と、戻し通路弁７８が省略された点が異なる。第２実施形態に係る内燃機関１５０において、第１実施形態に係る内燃機関１と同様の構成は、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図４は、第２実施形態に係る内燃機関１５０を示す構成図である。図４に示すように、戻し側動弁機構１５１は、戻し弁３２の最大リフト量を連続的に変更することができる可変バルブリフト機構である。戻し側動弁機構１５１は、例えば、シリンダヘッド４に回転可能に支持された戻しカムシャフト５１と、シリンダヘッド４に支持された戻しロッカシャフト５２と、戻しロッカシャフト５２に回転可能に支持された戻しロッカアーム５３と、シリンダヘッド４に変位可能に支持された揺動シャフト１５３と、揺動シャフト１５３に回転可能に支持された揺動アーム１５５とを有する。戻しカムシャフト５１は、タイミングベルトやタイミングチェーン等の駆動力伝達部材を介してクランクシャフト１２に連結され、クランクシャフト１２と同じ回転数で回転する。戻しカムシャフト５１は、自身に設けられた戻しカム５８で揺動アーム１５５を所定のタイミングで押し、戻しカム５８に駆動された揺動アーム１５５は戻しロッカアーム５３を押し、揺動アーム１５５に駆動された戻しロッカアーム５３は、バルブスプリング３３の付勢力に抗して戻し弁３２を開方向に押す。これにより、戻し弁３２が燃焼室２２と戻しポート２８とを連通する。
【００６４】
戻し側動弁機構１５１は、揺動シャフト１５３の位置を変化させることによって、揺動アーム１５５の位置を変化させ、戻しカム５８の駆動された際の揺動アーム１５５の変位量を変化させる。これにより、揺動アーム１５５による戻しロッカアーム５３の変位量を変化させて戻しロッカアーム５３による戻し弁３２の変位量、すなわち戻し弁３２のバルブリフト量を変化させる。揺動シャフト１５３の位置は、例えば電動モータと、電動モータによって駆動されるピニオン及び揺動シャフト１５３に設けられたラックからなる駆動機構とから構成されてよい。このように、戻し側動弁機構１５１は、排気弁３１を開閉すると共に、開く際のバルブリフト量を変化させることができる。
【００６５】
図５は、第２実施形態に係る内燃機関１５０の制御ブロック図である。内燃機関１５０のＥＣＵ１６０は、戻し通路弁７８に関する目標戻し通路弁開度演算部１０７及び戻し通路弁制御部１１５を有さないと共に、バルブ休止機能を備えた戻し側動弁機構３６に関する過給判定部１０６及び戻し側動弁機構制御部１１４を有さない。代わりに、ＥＣＵ１６０は、目標戻し弁開度演算部１６３と戻し側動弁機構制御部１６４とを有する。
【００６６】
目標戻し弁開度演算部１６３は、目標新気充填率Ｆｔに対応した目標新気充填量を演算し、掃気孔１９を通してシリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１（第１エアフローセンサ８６の検出値）と、戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２（第２エアフローセンサ８７の検出値）との差が目標新気充填量と等しくなるように、目標戻し弁開度Ｖ３を演算する。目標戻し弁開度演算部１６３は、目標新気充填率演算部１０５が演算した目標新気充填率Ｆｔと、シリンダボア８及び燃焼室２２に流入する新気流量Ｆ１に対応した第１エアフローセンサ８６の検出信号と、戻し通路７７を通ってシリンダボア８及び燃焼室２２から流出する新気流量Ｆ２に対応した第２エアフローセンサ８７の検出信号とに基づいて目標戻し弁開度Ｖ３を演算する。目標戻し弁開度Ｖ３は、目標新気充填率Ｆｔが増大するにつれて減少するように設定され、目標新気充填率Ｆｔが１００％以上で目標戻し弁開度Ｖ３は０％に設定される。
【００６７】
戻し側動弁機構制御部１６４は、目標戻し弁開度Ｖ３に対応した揺動シャフト１５３の位置を演算し、揺動シャフト１５３の位置に応じた電圧ＥＣ２である制御信号を戻し側動弁機構１５１に出力する。これにより、戻し側動弁機構１５１は、戻し弁３２は目標戻し弁開度Ｖ３と等しい開度を実現する。
【００６８】
図６は、第２実施形態に係る内燃機関１５０の排気弁３１及び戻し弁３２のバルブタイミングと目標出力Ｏｐに応じた戻し弁３２の開度（バルブリフト量）を示す説明図である。図６に示すように、目標出力Ｏｐが大きくなるほど、戻し弁３２の開度は小さくなり、戻し通路７７に流れるガスの量が減少する。すなわち、新気充填量が増大する。戻し弁３２の開度は、新気充填量が過給域に属する場合には、開度が０％になる。
【００６９】
このように、戻し弁３２の開度を調整することができる場合には、戻し通路弁７８を省略することができる。
【００７０】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、戻し側動弁機構３６、１５１の構成は例示であって、公知の様々な形態を適用することができる。
【００７１】
実施形態では、排気通路内のガスの成分を検出するガスセンサとして酸素濃度を検出する酸素センサ８８を使用したが、新気の存在、すなわち新気の吹き抜けを検出することができるセンサであれば任意のものを適用することができる。例えば、ガスセンサとして、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを使用してもよい。新気が混入すると、既燃焼ガスのみの場合よりもＮＯｘ濃度が低下するため、この低下に基づいて新気の吹き抜けを検出することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１、１５０…内燃機関、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッド、８…シリンダボア、１２…クランクシャフト、１４…ピストン、１８…掃気室、１９…掃気孔、２２…燃焼室、２４…インジェクタ、２５…点火プラグ、２７…排気ポート、２８…戻しポート、３１…排気弁、３２…戻し弁、３６、１５１…戻し側動弁機構、５１…戻しカムシャフト、５３Ａ…第１戻しロッカアーム、５３Ｂ…第２戻しロッカアーム、５５…連結ピン、６１…吸気ポート、６２…吸気管、６３…吸気入口、６４…吸気通路、６６…排気管、６７…排気浄化装置、６８…排気出口、６９…排気通路、７０…過給機、７１…バイパス管、７２…バイパス通路、７３…バイパス弁、７５…戻し管、７７…戻し通路、７８…戻し通路弁、８６…第１エアフローセンサ、８７…第２エアフローセンサ、８８…酸素センサ、９１…クランク角センサ、９２…アクセルペダルセンサ、１００…ＥＣＵ、１５３…揺動シャフト、１５５…揺動アーム、１６０…ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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