(57)【要約】【課題】冷間時におけるエンジンの未燃炭化水素の排出を抑制する。【解決手段】シリンダ１０とピストン１３とシリンダヘッド２０と、を備えるエンジン１００であって、シリンダヘッド２０は、燃焼室１５に空気または空気と燃料との混合気を導入する吸気ポート２１と、燃焼室１５から燃焼後の排ガスを排気する排気ポート４１と、吸気ポート２１に隣接して配置され、燃焼室１５に空気または混合気を導入すると共に燃焼室１５から排ガスを排気する吸排気ポート３１と、吸気ポート２１を開閉する吸気弁２２と、排気ポート４１を開閉する排気弁４２と、吸排気ポート３１を開閉する吸排気弁３２と、を備え、制御部８０が冷間時に排気弁４２を閉止すると共に燃焼室１５から吸排気ポート３１に排ガスを排気するように吸排気弁３２を開閉する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダの中を往復動するピストンと、
前記シリンダの一端に接続され、前記シリンダと前記ピストンと共に燃焼室を形成するシリンダヘッドと、を備える往復式内燃機関であって、
前記シリンダヘッドは、前記燃焼室に空気または前記空気と燃料との混合気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室から燃焼後の排ガスを排気する排気ポートと、前記吸気ポートに隣接して配置され、前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入すると共に前記燃焼室から前記排ガスを排気する吸排気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記排気ポートを開閉する排気弁と、前記吸排気ポートを開閉する吸排気弁と、を備え、
前記吸気弁と前記排気弁と前記吸排気弁の開閉動作を調整する制御部が、冷間時に前記排気弁を閉止すると共に前記燃焼室から前記吸排気ポートに前記排ガスを排気するように前記吸排気弁を開閉する往復式内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の往復式内燃機関であって、
前記制御部が、暖機後に前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉する往復式内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の往復式内燃機関であって、
前記吸排気ポートに接続されて前記排ガスを浄化する第１の排ガス浄化装置を備える往復式内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の往復式内燃機関であって、
前記第１の排ガス浄化装置が前記シリンダヘッドの中に配置されている往復式内燃機関。
【請求項５】
請求項３または４に記載の往復式内燃機関であって、
前記排気ポートに連通する排気管に接続されて前記排ガスを浄化する第２の排ガス浄化装置を有し、
前記制御部は、
前記第２の排ガス浄化装置の温度が所定の閾値より低い場合に、前記排気弁を閉止すると共に前記燃焼室から前記吸排気ポートに前記排ガスを排気するように前記吸排気弁を開閉し、
前記第２の排ガス浄化装置の温度が所定の閾値以上となった場合に、前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉する往復式内燃機関。
【請求項６】
請求項５に記載の往復式内燃機関であって、
前記制御部は、
前記第１の排ガス浄化装置の温度が所定の上限温度に達した場合、前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉する往復式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復式内燃機関のシリンダヘッドの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用のエンジン等の往復式内燃機関では、冷間始動時において、吸気ポートや燃焼室の温度が低いため、燃料の気化が不十分となり、未燃の炭化水素等が排出されてしまうという問題があった。このため、燃料をヒータで加熱して気筒内に噴射する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、エンジンには排ガスを浄化する排ガス浄化装置が取り付けられている。排ガス浄化装置は、内部に取り付けられた触媒が活性温度に達すると排ガス中の窒素酸化物を還元させるとともに、一酸化炭素等を酸化させて排ガスを浄化するものである。エンジンの排気弁から排出された排ガスは、排気ポートから排気管を通って排ガス浄化装置中の触媒に達する。排気ポート、排気管は大きな熱容量を有しているので、エンジンの冷間始動時には、排ガスの熱は排気ポート、排気管に拡散してしまい、触媒の温度の上昇が遅れる。このため、冷間始動後しばらくは、触媒による排ガスの浄化を行うことができないという問題がある。排気ポート、排気管を断熱して排気ポート、排気管からの放熱を抑制する方法や、触媒の外面を断熱する方法が提案されているが（例えば、特許文献２−４参照）、これらの従来技術では、冷間始動時に排気ポート、排気管へ排ガスの熱が拡散して触媒の温度上昇が遅れ、排ガスの浄化ができなくなるという問題を解決することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２７００７号公報
【特許文献２】特開２００１−１３２４４４号公報
【特許文献３】特開２０００−１５４７１６号公報
【特許文献４】特開２０１３−１７０５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、冷間時における往復式内燃機関の未燃炭化水素の排出を抑制すると共に、冷間時に排ガスを効果的に浄化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の往復式内燃機関は、シリンダと、前記シリンダの中を往復動するピストンと、前記シリンダの一端に接続され、前記シリンダと前記ピストンと共に燃焼室を形成するシリンダヘッドと、を備える往復式内燃機関であって、前記シリンダヘッドは、前記燃焼室に空気または前記空気と燃料との混合気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室から燃焼後の排ガスを排気する排気ポートと、前記吸気ポートに隣接して配置され、前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入すると共に前記燃焼室から前記排ガスを排気する吸排気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記排気ポートを開閉する排気弁と、前記吸排気ポートを開閉する吸排気弁と、を備え、前記吸気弁と前記排気弁と前記吸排気弁の開閉動作を調整する制御部が、冷間時に前記排気弁を閉止すると共に前記燃焼室から前記吸排気ポートに前記排ガスを排気するように前記吸排気弁を開閉することを特徴とする。
【０００７】
これにより、往復式内燃機関の冷間時において、吸排気ポートに排気した高温の排ガスによって吸気ポートから燃焼室に流入する空気または混合気を加熱して燃料を十分に気化させることができるので、燃料の未燃による未燃炭化水素の排出を抑制することができる。
【０００８】
本発明の往復式内燃機関において、前記制御部が、暖機後に前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉してもよい。
【０００９】
これにより、暖機後に吸気ポートから燃焼室に吸入する空気または混合気を過度に加熱して往復式内燃機関の出力が低下したり、ノッキングが発生したりすることを抑制できる。
【００１０】
本発明の往復式内燃機関において、前記吸排気ポートに接続されて前記排ガスを浄化する第１の排ガス浄化装置を備えてもよい。また、前記第１の排ガス浄化装置を前記シリンダヘッドの中に配置してもよい。
【００１１】
このように、吸排気ポートに近接して排ガス浄化装置を配置することにより、冷間時に排ガス浄化装置の温度の上昇を早め、排ガスを効果的に浄化することができる。
【００１２】
本発明の往復式内燃機関において、前記排気ポートに連通する排気管に接続されて前記排ガスを浄化する第２の排ガス浄化装置を有し、前記制御部は、前記第２の排ガス浄化装置の温度が所定の閾値より低い場合に、前記排気弁を閉止すると共に前記燃焼室から前記吸排気ポートに前記排ガスを排気するように前記吸排気弁を開閉し、前記第２の排ガス浄化装置の温度が所定の閾値以上となった場合に、前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉してもよい。
【００１３】
これにより、暖機運転で温度の上昇した第２の排ガス浄化装置で排ガスの浄化を行い、第１の排ガス浄化装置に低温の空気を流して第１の排ガス浄化装置の触媒の温度上昇を抑制することができる。
【００１４】
本発明の往復式内燃機関において、前記制御部は、前記第１の排ガス浄化装置の温度が所定の上限温度に達した場合、前記燃焼室から前記排気ポートに前記排ガスを排気するように前記排気弁を開閉すると共に前記吸排気ポートと前記吸気ポートとから前記燃焼室に前記空気または前記混合気を導入するように前記吸排気弁と前記吸気弁とを同時に開閉してもよい。
【００１５】
これにより、第１の排ガス浄化装置内の触媒が過熱して性能が劣化することを抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、冷間時における往復式内燃機関の未燃炭化水素の排出を抑制すると共に、冷間時に排ガスを効果的に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す系統図である。
【図２】図２に示すエンジンの動作を示すフローチャートである。
【図３】冷間時における図２に示すエンジンの吸気弁、排気弁、吸排気弁の開閉タイミングを示すグラフである。
【図４】暖機後における図２に示すエンジンの吸気弁、排気弁、吸排気弁の開閉タイミングを示すグラフである。
【図５】図２に示すエンジンの冷間時における空気あるいは混合気の吸込、排ガスの排気経路を示す説明図である。
【図６】図２に示すエンジンの暖機後における空気あるいは混合気の吸込、排ガスの排気経路を示す説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す系統図である。
【図８】図７に示すエンジンの動作を示すフローチャートである。
【図９】図７に示すエンジンの冷間時における空気あるいは混合気の吸込、排ガスの排気経路を示す説明図である。
【図１０】図７に示すエンジンの暖機後における空気あるいは混合気の吸込、排ガスの排気経路を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本実施形態のエンジン１００について説明する。図１に示すように、エンジン１００は、火花点火式の４サイクルのガソリン機関である。エンジン１００は、例えば、車両に搭載される。エンジン１００は、往復式内燃機関である。
【００１９】
図１に示すように、エンジン１００は、シリンダ１０と、シリンダ１０のボア１２の中を往復動するピストン１３と、シリンダ１０の上端に接続され、シリンダ１０のボア１２とピストン１３と共に燃焼室１５を形成するシリンダヘッド２０と、制御部８０とを備えている。
【００２０】
シリンダヘッド２０は、燃焼室１５に空気または空気と燃料との混合気を導入する吸気ポート２１と、燃焼室１５から燃焼後の排ガスを排気する排気ポート４１と、吸気ポート２１に隣接して配置され、燃焼室１５に空気または混合気を導入すると共に燃焼室１５から排ガスを排気する吸排気ポート３１と、吸気ポート２１を開閉する吸気弁２２と、排気ポート４１を開閉する排気弁４２と、吸排気ポート３１を開閉する吸排気弁３２と、を備えている。
【００２１】
吸気ポート２１、吸排気ポート３１、排気ポート４１は、一体に鋳造されたブロックに設けられた孔である。吸気ポート２１と吸排気ポート３１とは隣接して配置されており、吸気ポート２１と吸排気ポート３１との間の部分は、一方の面で吸気ポート２１の壁面を構成すると共に、他方の面で吸排気ポート３１の壁面を構成している。
【００２２】
シリンダヘッド２０の内部には、吸気弁２２を開閉動作させる吸気カム２４が取り付けられた吸気カムシャフト２３と、吸気カムシャフト２３の端部に位置する吸気プーリ２６とが設けられている。吸気プーリ２６と吸気カムシャフト２３との間には、吸気カムシャフト２３と吸気プーリ２６の相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構２５が設けられている。同様に、シリンダヘッド２０の内部には、吸排気弁３２を開閉動作させる吸排気カム３４が取り付けられた吸排気カムシャフト３３と、吸排気カムシャフト３３の端部に位置する吸排気プーリ３６と、吸排気プーリ３６と吸排気カムシャフト３３との間に取り付けられて吸排気カムシャフト３３と吸排気プーリ３６との相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構３５が設けられている。また、排気弁４２を開閉動作させる排気カム４４が取り付けられた排気カムシャフト４３と、排気カムシャフト４３の端部に位置する排気プーリ４６と、排気プーリ４６と排気カムシャフト４３との間に取り付けられて排気カムシャフト４３と排気プーリ４６との相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構４５が設けられている。
【００２３】
吸気弁２２は、スプリング２７によって燃焼室１５から吸気ポート２１に向かって付勢され閉となっている。吸気カムシャフト２３が回転して吸気カム２４が吸気弁２２の吸気カム２４側の端面を押すと吸気弁２２は、燃焼室１５に向かって移動し、吸気ポート２１が開となる。同様に、吸排気弁３２、排気弁４２は、それぞれ、スプリング３７、４７によって燃焼室１５から吸排気ポート３１、排気ポート４１に向かって付勢され閉となっている。そして、吸排気カム３４、排気カム４４が吸排気弁３２、排気弁４２の各カム３４、４４側の端面を押すと吸排気ポート３１、排気ポート４１が開となる。
【００２４】
回転位相変更機構２５、３５、４５は、各カムシャフト２３、３３、４３と各プーリ２６、３６、４６との相対的な回転位相を変化させるものであれば、例えば、ＶＶＴ等であってもよい。また、回転位相変更機構４５は、排気カムシャフト４３と排気プーリ４６との間に排気プーリ４６の回転が排気カムシャフト４３に伝達されないようなクラッチ等を取りつけて排気弁４２を閉止状態にする機構を有している。また、吸排気カムシャフト３３は、吸気弁２２と同一位相で吸排気弁３２を開閉する第１カムと排気弁４２と同一位相で吸排気弁３２を開閉する第２カムとを有し、回転位相変更機構３５は、第１カムが吸排気弁３２を押す位置と第２カムが吸排気弁３２を押す位置との間で吸排気カムシャフト３３を軸方向に移動させる機構を有している。
【００２５】
シリンダヘッド２０の吸気ポート２１には、吸気管２８が接続されている。吸気管２８には、燃料を吸気管２８の中に噴射するインジェクタ５１が取り付けられている。排気ポート４１には排気管４８が接続されている。吸排気ポート３１には、吸排気管３８が接続されている。このように、吸気ポート２１、吸排気ポート３１、排気ポート４１はそれぞれ吸気管２８、吸排気管３８、排気管４８と連通している。吸気管２８と吸排気管３８との間は、接続管６１によって接続されている。接続管６１には、第１弁６３が取り付けられている。吸排気管３８と排気管４８との間はバイパス管６２で接続されている。バイパス管６２には、第２弁６４が取り付けられている。また、シリンダヘッド２０の吸排気ポート３１と排気ポート４１との間には点火プラグ５２が取り付けられている。シリンダヘッド２０の吸気ポート２１を構成する壁のなかには、吸気ポート２１の壁の温度を検出する温度センサ６５が取り付けられている。
【００２６】
制御部８０は、内部に演算処理を行うＣＰＵ８１と、エンジン１００の制御プログラム、制御データ等を格納するメモリ８２と、各機器、センサが接続される機器・センサインターフェース８３とを備えるコンピュータである。ＣＰＵ８１と、メモリ８２と、機器・センサインターフェース８３とはデータバス８４で接続されている。
【００２７】
吸気カムシャフト２３と吸気プーリ２６の相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構２５、吸排気カムシャフト３３と吸排気プーリ３６の相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構３５、排気カムシャフト４３と排気プーリ４６の相対的な回転位相を変化させる回転位相変更機構４５、第１弁６３の駆動部、第２弁６４の駆動部はそれぞれ制御部８０に接続され、回転位相変更機構２５、３５、４５、第１弁６３、第２弁６４は制御部８０の指令によって動作する。また、温度センサ６５は制御部８０に接続され、温度センサ６５が検出したデータは制御部８０に入力される。また、点火プラグ５２も制御部８０に接続されて制御部８０の指令によって動作する。
【００２８】
次に、図２から図６を参照しながら、本実施形態のエンジン１００の動作について説明する。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部８０は、図示しないスタートスイッチがオンとなったらエンジン１００を始動させる。そして、制御部８０は、図２のステップＳ１０２に進み、温度センサ６５によって吸気ポート２１の温度Ｔ０を検出する。そして、制御部８０は、検出した温度Ｔ０が設定温度より低いかどうかを判断する。ここで、設定温度は、エンジン１００が暖機された場合の吸気ポート２１の壁の温度である。制御部８０は、吸気ポート２１の壁の温度が設定値よりも低い場合には、エンジン１００は、冷間状態にあると判断して図２のステップＳ１０３に進み、図１に示す第１弁６３を閉とし、第２弁６４を開とする。次に、制御部８０は、図２のステップＳ１０４に進み、排気弁４２を閉止し、吸排気弁３２を開閉動作させる。一方、吸気ポート２１の壁の温度が設定値以上の場合には、エンジン１００は、暖機された状態になったと判断して図２のステップＳ１０６に進み、図１に示す第１弁６３を開とし、第２弁６４を閉とする。そして、制御部８０は、図２のステップＳ１０７に進み、排気弁４２と吸気弁２２とをそれぞれ通常のタイミングで開閉動作させる。また、制御部８０は、吸排気弁３２を吸気弁２２と同時に開閉動作させる。
【００２９】
以下、図２のステップＳ１０３、Ｓ１０４の動作について詳細に説明する。制御部８０は、図２のステップＳ１０４において、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、排気弁４２、吸排気弁３２、吸気弁２２が開閉するように、回転位相変更機構２５、３５、４５を制御する。先に説明したように、回転位相変更機構４５は、排気プーリ４６の回転が排気カムシャフト４３に伝達されないようなクラッチ等を有している。制御部８０は、回転位相変更機構４５のクラッチを動作させて排気カムシャフト４３が回転しないようにして排気弁４２を閉止状態とする。また、制御部８０は、回転位相変更機構３５によって吸排気カムシャフト３３を軸方向に移動させて、第２カムによって吸排気弁３２を通常動作の際の排気弁４２の開閉タイミングと同位相の開閉タイミングで開閉させる。
【００３０】
これにより、排気弁４２は図３（ａ）に示すように閉止状態に保たれる。図３（ｂ）に示すように、吸排気弁３２は、エンジン１００が吸気行程、圧縮行程、膨張行程の間（クランク軸の回転角が０°から５４０°の間）に閉となり、排気行程の間（クランク軸の回転角が５４０°から７２０°までの間）に開となるように開閉動作する。この開閉動作は、通常動作の際の排気弁４２の開閉動作と同一位相である。また、図３（ｃ）に示すように、吸気弁２２は、エンジン１００が吸気行程の間（クランク回転角度が０°から１８０°の間）に開となり、エンジン１００が圧縮行程、膨張行程、排気行程の間（クランク軸の回転角度が１８０°から７２０°までの間）で閉となるように開閉動作する。
【００３１】
図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２が開閉動作した場合の吸気、排気の流れについて図５を参照しながら説明する。エンジン１００が吸気行程中（クランク軸の回転角度が０°から１８０°までの間）では、ピストン１３は下方向に移動し、燃焼室１５の圧力は負圧となっている。この際、排気弁４２、吸排気弁３２は閉、となっており、吸気弁２２が開となっている。また、図２のステップＳ１０３において、第１弁６３が閉となっている。図５の矢印Ｒ１に示すように、吸気管２８に吸い込まれた空気は燃焼室１５の負圧に引かれて吸気管２８から吸気ポート２１に流れる。この際、吸気管２８に取り付けられたインジェクタ５１から燃料が空気中に噴射されるので、吸気管２８から流入した空気は空気と燃料との混合気となって吸気ポート２１に流れていく。そして混合気は、吸気ポート２１から開となっている吸気弁２２を通って燃焼室１５に流入する。
【００３２】
エンジン１００が圧縮行程中（クランク軸の回転角度が１８０°から３６０°までの間）は、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２は全て閉となっている。この際、ピストン１３は上方向に移動するので、燃焼室１５の圧力は上昇して来る。そして、クランク回転角度が３６０°において、制御部８０は、点火プラグ５２を点火して燃焼室１５の燃料を燃焼させる。エンジン１００の膨張行程（クランク軸の回転角度が３６０°から５４０°までの間）は、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２は全て閉となっており、ピストン１３は下方向に移動してクランク軸にトルクを出力する。
【００３３】
エンジン１００が排気行程中（クランク軸の回転角度が５４０°から７２０°までの間）は、排気弁４２、吸気弁２２は閉となっており、吸排気弁３２は開となっている。この際、ピストン１３は上方向に移動するので、燃焼室１５のガスは、排ガスとして図５に示す矢印Ｒ２のように、吸排気弁３２から吸排気ポート３１に流出する。第２弁６４は、図２に示すステップＳ１０３で開とされているので、吸排気ポート３１に流出した排ガスは、図５の矢印Ｒ２に示すように、吸排気管３８から第２弁６４を通ってバイパス管６２から排気管４８を通って大気に流出する。
【００３４】
燃焼室１５から吸排気ポート３１に流出する排気ガスは温度が高いので、その熱によりシリンダヘッド２０を加熱する。また、吸排気ポート３１は吸気ポート２１と隣接しているので、吸排気ポート３１に流出した排気ガスの熱は、吸排気ポート３１と吸気ポート２１との間の部分を通って吸気ポート２１を流れる混合気に伝達される。このため、吸気ポート２１を通って燃焼室１５に流入する混合気が加温される。このように、吸排気ポート３１から流出する排ガスの熱によってシリンダヘッド２０の吸気ポート２１の壁面、および、吸気ポート２１の中を流れる混合気の温度が上昇するので、燃料が吸気ポート２１の中で十分に気化する。このため、エンジン１００の冷間始動時でも、燃料が未燃になることを抑制し、これによる未燃炭化水素の排出を効果的に抑制することができる。
【００３５】
次に、図２のステップＳ１０６、Ｓ１０７の動作について詳細に説明する。制御部８０は、図２のステップＳ１０７において、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、排気弁４２、吸排気弁３２、吸気弁２２が開閉するように、回転位相変更機構２５、３５、４５を制御する。制御部８０は、回転位相変更機構４５のクラッチにより排気カムシャフト４３と排気プーリ４６とを係合させ、排気弁４２が通常の開閉タイミングで開閉動作を行うようにする。また、制御部８０は、吸気弁２２を通常の開閉タイミングで開閉動作させる。また、制御部８０は、回転位相変更機構３５によって吸排気カムシャフト３３を軸方向に移動させて、第１カムによって吸排気弁３２を吸気弁２２の開閉タイミングと同位相の開閉タイミングで開閉させる。
【００３６】
これにより、排気弁４２は図４（ａ）に示すようにエンジン１００が排気行程中（クランク軸角度が５４０°から７２０°の間）に開となり、エンジン１００が吸気行程、圧縮行程、膨張行程の間（クランク軸角度が０°から５４０°までの間）に閉となる。図４（ｃ）に示すように、吸気弁２２は、エンジン１００が吸気行程の間（クランク回転角度が０°から１８０°の間）に開となり、エンジン１００が圧縮行程、膨張行程、排気行程の間（クランク軸の回転角度が１８０°から７２０°までの間）で閉となるように開閉動作する。図４（ｂ）に示すように、吸排気弁３２は、吸気弁２２と同様、吸気行程の間に開となり、圧縮行程、膨張行程、排気行程の間に閉となるように開閉動作する。このように、吸排気弁３２は、吸気弁２２と同時に開閉動作する。
【００３７】
図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２が開閉動作した場合の吸気、排気の流れについて図６を参照しながら説明する。エンジン１００が吸気行程中（クランク軸の回転角度が０°から１８０°までの間）では、排気弁４２は閉、吸気弁２２、吸排気弁３２は開となっている。また、図２のステップＳ１０６において、第１弁６３が開、第２弁６４が閉となっているので、図６の矢印Ｒ１、Ｒ３に示すように、吸気管２８に吸い込まれた空気は、吸気管２８、吸排気管３８に流れ、吸気ポート２１、吸排気ポート３１に流れる。この際、吸気管２８に取り付けられたインジェクタ５１から燃料が空気中に噴射されるので、吸気管２８から吸気ポート２１に流入した空気は空気と燃料との混合気となる。そして、吸気ポート２１の混合気と吸排気ポート３１の空気とは、開となっている吸気弁２２、吸排気弁３２を通って燃焼室１５に流入する。
【００３８】
エンジン１００が圧縮行程中（クランク軸の回転角度が１８０°から３６０°までの間）は、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２は全て閉となっている。この際、ピストン１３は上方向に移動するので、燃焼室１５の圧力は上昇して来る。そして、クランク回転角度が３６０°において、制御部８０は、点火プラグ５２を点火して燃焼室１５の燃料を燃焼させる。エンジン１００の膨張行程（クランク軸の回転角度が３６０°から５４０°までの間）は、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２は全て閉となっており、ピストン１３は下方向に移動してクランク軸にトルクを出力する。
【００３９】
エンジン１００が排気行程中（クランク軸の回転角度が５４０°から７２０°までの間）は、吸気弁２２、吸排気弁３２は閉となっており、排気弁４２は開となっている。この際、ピストン１３は上方向に移動するので、燃焼室１５のガスは、排ガスとして図６に示す矢印Ｒ４のように、排気弁４２から排気ポート４１に流出する。
【００４０】
暖機後は、シリンダヘッド２０の壁の温度は、高くなっているが、吸排気管３８から吸排気ポート３１に流入する空気は、温度が低いので、吸気ポート２１、吸排気ポート３１の壁面の温度あるいは、空気、混合気の温度が過度に上昇して、エンジン１００の出力が低下したり、ノッキングが発生したりすることを抑制することができる。
【００４１】
制御部８０は、図２のステップＳ１０４、Ｓ１０７を実行したら図２のステップＳ１０５に進み、エンジン１００が停止していなければ、図２のステップＳ１０２に戻り、図２のステップＳ１０２からＳ１０７を繰り返し実行する。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態のエンジン１００は、吸気ポート２１に隣接して吸排気ポート３１を配置し、冷間時に吸排気ポート３１から高温の排ガスを排気することによって吸気ポート２１およびその内部の空気、混合気を加熱するので、エンジン１００の冷間始動時でも、燃料が未燃になることを抑制し、これによる未燃炭化水素の排出を効果的に抑制することができる。また、暖機後は、吸排気弁３２を吸気弁２２と同一位相で同時に開閉駆動することにより、空気、混合気の温度が過度に上昇して、エンジン１００の出力が低下したり、ノッキングが発生したりすることを抑制することができる。
【００４３】
次に、図７から図１０を参照しながら他の実施形態のエンジン２００について説明する。先に図１から図６を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
【００４４】
図７に示すように、本実施形態のエンジン２００は、先に図１から図６を参照して説明したエンジン１００のシリンダヘッド２０の吸排気ポート３１に第１触媒６６ａを含む第１排ガス浄化装置６６を取り付け、バイパス管６２との合流点よりも下流側の排気管４８に第２触媒６７ａを含む第２排ガス浄化装置６７を取り付けたものである。第１排ガス浄化装置６６と第２排ガス浄化装置６７とは、それぞれ、触媒６６ａ、６７ａの温度を検出する温度センサ６８、６９が取り付けられている。温度センサ６８、６９の検出したデータは、機器・センサインターフェース８３を介して制御部８０に入力される。
【００４５】
図８を参照しながら、エンジン２００の動作について説明する。制御部８０は、図８のステップＳ２０１に示すように、エンジン２００を始動したら、図８のステップＳ２０２に進んで温度センサ６９によって第２触媒６７ａの温度Ｔ２を検出し、第２触媒６７ａの温度Ｔ２が所定の閾値よりも低いかどうか判断する。所定の閾値は、第２触媒６７ａの活性温度である。制御部８０は、第２触媒６７ａが所定の閾値よりも低い場合には、第２触媒６７ａの活性が不十分であると判断して図８のステップＳ２０３、ステップＳ２０４に進み、図２のステップＳ１０３、Ｓ１０４と同様、第１弁６３を閉とし第２弁６４を開とし、排気弁４２を閉止し、吸排気弁３２を開閉動作させる。一方、第２触媒６７ａの温度が所定の閾値以上の場合には、第２触媒６７ａの活性は十分であると判断して図８のステップＳ２０７に進み、図１に示す第１弁６３を開とし、第２弁６４を閉とする。そして、制御部８０は、図８のステップＳ２０８に進み、排気弁４２と吸気弁２２とをそれぞれ通常のタイミングで開閉動作させると共に、吸排気弁３２を吸気弁２２と同時に開閉動作させる。
【００４６】
図８のステップＳ２０３、Ｓ２０４における第１弁６３、第２弁６４、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２の動作は、先に説明した図２のステップＳ１０３、Ｓ１０４と同様である。このように、第１弁６３、第２弁６４、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２が開閉動作した場合の吸気、排気の流れを図９に示す。図９に示すように、エンジン２００が冷間状態で、第２排ガス浄化装置６７の触媒６７ａの温度が所定の温度よりも低い場合においては、高温の排ガスは、図９の矢印Ｒ２に示すように、吸排気ポート３１から第１排ガス浄化装置６６の触媒６６ａを通って吸排気管３８からバイパス管６２に排気される。第１排ガス浄化装置６６は、吸排気ポート３１の中に配置されているので、第１触媒６６ａは、吸排気ポート３１から排出される高温の排ガスで急速に加温され、短時間の内に活性温度に達し排ガスを浄化する。
【００４７】
第１排ガス浄化装置６６を通過した排ガスは、図９の矢印Ｒ２に示すように、吸排気管３８、排気管４８に流れていく。吸排気管３８、排気管４８は、排ガスの熱で次第に加熱され、第２排ガス浄化装置６７に流入する排ガスの温度も次第に高くなってくる。そして、温度センサ６９で検出した第２排ガス浄化装置６７の第２触媒６７ａの温度Ｔ２が所定の温度よりも高くなると、制御部８０は、図８のステップＳ２０７、Ｓ２０８のように、第１弁６３、第２弁６４、吸気弁２２、吸排気弁３２、排気弁４２を動作させて図１０の矢印Ｒ１、Ｒ３に示すように、吸気ポート２１と吸排気ポート３１から空気、混合気を吸い込んで、図１０の矢印Ｒ４に示すように、排気ポート４１から高温の排ガスを排気する。高温の排ガスは、図１０の矢印Ｒ４に示すように、排気管４８から第２排ガス浄化装置６７に流入し、活性温度に達した第２触媒６７ａによって浄化される。この際、第１排ガス浄化装置６６には温度の低い空気が流入するので、第１触媒６６ａの温度上昇による劣化を抑制できる。
【００４８】
また、制御部８０は、図８のステップＳ２０４の後、図８に示すステップＳ２０５において、温度センサ６８によって第１触媒６６ａの温度Ｔ１を検出し、第１触媒６６ａの温度が上限値に達したかどうかを判断する。ここで、上限温度は、第１触媒６６ａに劣化が発生する温度である。第１触媒６６ａの温度Ｔ１が上限温度達していた場合には、制御部８０は、図８のステップＳ２０７、Ｓ２０８に進んで、図１０の矢印Ｒ１、Ｒ３に示すように、吸気ポート２１と吸排気ポート３１から空気、混合気を吸い込んで、図１０の矢印Ｒ４に示すように、排気ポート４１から高温の排ガスを排気する。高温の排ガスは、排気管４８から第２排ガス浄化装置６７に流入し、活性温度に達した第２触媒６７ａによって浄化される。この際、この際、第１排ガス浄化装置６６には温度の低い空気が流入するので、第１触媒６６ａの温度上昇による劣化を抑制できる。
【００４９】
制御部８０は、図８のステップＳ２０５でＮＯと判断した場合、あるいは、図８のステップＳ２０８を実行したら図８のステップＳ２０６に進み、エンジン２００が停止していなければ、図８のステップＳ２０２に戻り、図８のステップＳ２０２からＳ２０８を繰り返し実行する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態のエンジン２００は、先に説明したエンジン１００の効果に加え、吸排気ポート３１に近接して第１排ガス浄化装置６６を配置することにより、冷間時に第１排ガス浄化装置６６の触媒６６ａの温度Ｔ１の上昇を早め、排ガスを効果的に浄化することができる。また、暖機後は、温度の上昇した第２排ガス浄化装置６７の第２触媒６７ａで排ガスの浄化を行い、第１排ガス浄化装置６６に低温の空気を流して第１排ガス浄化装置６６の第１触媒６６ａの温度上昇を抑制することができる。更に、第１排ガス浄化装置６６の触媒６６ａの温度Ｔ１が上限温度に達した場合には、吸排気ポート３１に温度の低い空気を流して第１触媒６６ａの温度上昇を抑制し、第１触媒６６ａが過熱して性能が劣化することを抑制できる。
【００５１】
なお、以上説明したエンジン２００では、第１排ガス浄化装置６６は、シリンダヘッド２０の吸排気ポート３１の中に取り付けるものとして説明したが、第１排ガス浄化装置６６は、吸排気ポート３１に近接して配置されていれば、シリンダヘッド２０の中で吸排気ポート３１に接続されている必要はなく、シリンダヘッド２０の外で吸排気ポート３１に接続するように構成してもよい。また、第２排ガス浄化装置６７は、排気管４８に接続されていれば、排気管４８の間に取り付ける必要はなく、例えば、排気管４８の一端に接続するように取り付けてもよい。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態のエンジン２００は、冷間時における未燃炭化水素の排出を抑制すると共に、冷間時に排ガスを効果的に浄化することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０  シリンダ、１２  ボア、１３  ピストン、１５  燃焼室、２０  シリンダヘッド、２１  吸気ポート、２２  吸気弁、２３  吸気カムシャフト、２４  吸気カム、２５、３５、４５  回転位相変更機構、２６  吸気プーリ、２７、３７、４７  スプリング、２８  吸気管、３１  吸排気ポート、３２  吸排気弁、３３  吸排気カムシャフト、３４  吸排気カム、３６  吸排気プーリ、３８  吸排気管、４１  排気ポート、４２  排気弁、４３  排気カムシャフト、４４  排気カム、４６  排気プーリ、４８  排気管、５１  インジェクタ、５２  点火プラグ、６１  接続管、６２  バイパス管、６３  第１弁、６４  第２弁、６５、６８、６９  温度センサ、６６  第１排ガス浄化装置、６６ａ  第１触媒、６７  第２排ガス浄化装置、６７ａ  第２触媒、８０  制御部、８１  ＣＰＵ、８２  メモリ、８３  機器・センサインターフェース、８４  データバス、１００、２００  エンジン。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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