(57)【要約】【課題】内燃機関の出力点にて十分な出力を確保しつつ熱効率をできるだけ高める。【解決手段】機械圧縮比が１５以上の内燃機関１００は、シリンダ内を往復運動するピストンと、作用角が１８０°以上である吸気弁９と、作用角が１８０°以上である排気弁１０と、吸気弁の位相角を変更する吸気可変バルブタイミング機構と、を備える。内燃機関は、吸気ガスの圧力から排気ガスの圧力を減算した圧力差が−１０ｋＰａ以上となるように構成される。吸気可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開弁時期を吸気上死点よりも進角側に設定することができる。排気弁は、吸気上死点よりも遅角側において閉弁するように駆動されうる。ピストンは、排気弁用リセス５４の最大深さが吸気弁用リセス５３の最大深さ以下になるように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比が１５以上の内燃機関であって、
シリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダに連通する吸気ポートを開閉すると共に作用角が１８０°以上である吸気弁と、前記シリンダに連通する排気ポートを開閉すると共に作用角が１８０°以上である排気弁と、前記吸気弁の位相角を変更する吸気可変バルブタイミング機構と、を備え、
前記シリンダ内に形成される燃焼室に供給される吸気ガスの圧力から該燃焼室から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−１０ｋＰａ以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができるように構成され、
前記吸気可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開弁時期を吸気上死点よりも進角側の吸気ガスの充填効率が最大となる時期に設定することができるように構成され、
前記排気弁は、吸気上死点よりも遅角側において閉弁するように駆動されることができ、
前記ピストンは、該ピストンが吸気上死点にあるときに前記吸気弁と干渉しないように前記ピストンの頂面に設けられた吸気弁用リセスと、前記ピストンが吸気上死点にあるときに前記排気弁と干渉しないように設けられた排気弁用リセスとを備え、該排気弁用リセスの最大深さは前記吸気弁用リセスの最大深さ以下である、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧縮比（例えば、圧縮比が１５以上）の内燃機関では、ピストンが吸気上死点にあるときのピストンと吸気弁及び排気弁との干渉を避けるために、ピストンの頂面に吸気弁用リセス及び排気弁用リセスを設けることが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６９２４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、位相角を変更することができる吸気弁のバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、吸気弁の位相角を進角すると吸気弁の閉弁時期が吸気下死点に近づいて充填効率が高くなり、機関出力を大きくすることができる。一方、吸気弁の位相角を遅角すると、吸気弁の閉弁時期が吸気下死点から離れるため、ポンピング損失が低減せしめられ、この結果、内燃機関の熱効率を高めることができる。
【０００５】
一方、位相角を変更することができる排気弁のバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、排気弁の位相角を進角すると、排気弁の開弁時期が進角されることから排気効率を高めることができ、よって機関出力を大きくすることができる。一方、排気弁の位相角を遅角すると、排気弁の閉弁時期が遅角されることによって実膨張比が高くなり、よって熱効率を高めることができる。加えて、排気弁の位相角を遅角すると、排気弁の閉弁時期が遅角されることによってバルブオーバーラップが大きくなるため、ポンピング損失が低減され、この結果、内燃機関の熱効率を高めることができる。
【０００６】
しかしながら、排気弁の位相角を遅角すると、その分だけ吸気上死点における排気弁のリフト量が大きくなる。上述したような高圧縮比の内燃機関では上死点における燃焼室容積が小さいため、吸気上死点における排気弁のリフト量が大きくするためには、排気弁用リセスを深くすることが必要になる。
【０００７】
ここで、吸気効率や排気効率を高めるべく吸気弁や排気弁の面積を大きくすると、吸気弁用リセスや排気弁用リセスはピストンの外周付近まで延びるようにピストンの頂面に形成される。したがって、ピストンの強度を確保するためには、トップリング用の溝を吸気弁用リセスや排気弁用リセスの深さ位置よりもピストン頂面から離れた位置に設けることが必要である。換言すると、ピストンのトップランドの高さを、吸気弁用リセスや排気弁用リセスの深さよりも高くする必要がある。
【０００８】
しかしながら、ピストンのトップランドの高さが高くなると、その分だけクレビス領域が大きくなる。クレビス領域が大きくなると、クレビス領域内の混合気は燃焼しないことから未燃損失が増大し、結果的に内燃機関の熱効率の低下を招く。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧縮比が１５以上の内燃機関において、内燃機関の出力点にて十分な出力を確保しつつ熱効率をできるだけ高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００１１】
（１）機械圧縮比が１５以上の内燃機関であって、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダに連通する吸気ポートを開閉すると共に作用角が１８０°以上である吸気弁と、前記シリンダに連通する排気ポートを開閉すると共に作用角が１８０°以上である排気弁と、前記吸気弁の位相角を変更する吸気可変バルブタイミング機構と、を備え、前記シリンダ内に形成される燃焼室に供給される吸気ガスの圧力から該燃焼室から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−１０ｋＰａ以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができるように構成され、前記吸気可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開弁時期を吸気上死点よりも進角側の吸気ガスの充填効率が最大となる時期に設定することができるように構成され、前記排気弁は、吸気上死点よりも遅角側において閉弁するように駆動されることができ、前記ピストンは、該ピストンが吸気上死点にあるときに前記吸気弁と干渉しないように前記ピストンの頂面に設けられた吸気弁用リセスと、前記ピストンが吸気上死点にあるときに前記排気弁と干渉しないように設けられた排気弁用リセスとを備え、該排気弁用リセスの最大深さは前記吸気弁用リセスの最大深さ以下である、内燃機関。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧縮比が１５以上の内燃機関において、内燃機関の出力点にて十分な出力を確保しつつ熱効率をできるだけ高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、ピストンを概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、燃焼室側から見たピストンの平面図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶに沿って見たピストンの頂面近傍における断面図である。
【図５】図５は、吸気弁及び排気弁の位相角を示す図である。
【図６】図６は、吸気弁及び排気弁の位相角を示す図である。
【図７】図７は、機械圧縮比と熱効率との関係を示す図である。
【図８】図８は、機械圧縮比と熱効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１５】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関１００を概略的に示す図である。図１に示したように、内燃機関１００は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド３とを備えた機関本体１を備える。シリンダブロック２内には複数のシリンダ４が形成され、これらシリンダ４内をピストン５が往復運動する。シリンダ４とピストン５とシリンダヘッド３とによって、混合気が燃焼する燃焼室６が画定される。
【００１６】
本実施形態では、燃焼室６は、機械圧縮比が１５以上の比較的高い値となるように構成される。ここで、機械圧縮比は、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積（ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積に行程容積を加えた容積）をピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積で割った値を意味する。
【００１７】
シリンダヘッド３には、シリンダ４に連通する吸気ポート７と、シリンダ４に連通する排気ポート８とが形成される。また、シリンダヘッド３には、燃焼室６に対して吸気ポート７を開閉する吸気弁９と、燃焼室６に対して排気ポート８を開閉する排気弁１０とが設けられる。
【００１８】
また、図１に示したように、シリンダヘッド３の各シリンダ４に面する内壁面の中央部には点火プラグ１１が配置される。点火プラグ１１は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。加えて、シリンダヘッド３の吸気ポート７周辺には、燃料噴射弁１２が配置される。燃料噴射弁１２は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を吸気ポート７内に噴射する。なお、燃料噴射弁１２は、燃焼室６内に燃料を直接噴射するように燃焼室６に面して配置されてもよい。
【００１９】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２０】
一方、各気筒の排気ポート８は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１の出口は、排気管２２に連結される。排気ポート８、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１及び排気管２２は、排気通路を形成する。
【００２１】
内燃機関１００は、ＥＧＲ機構を備える。ＥＧＲ機構は、排気マニホルド１９とサージタンク１４とを互いに連結する排気再循環（ＥＧＲ）通路２５と、ＥＧＲ通路２５内に配置された電気制御式のＥＧＲ制御弁２６とを備える。また、ＥＧＲ通路２５周りにはＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２７が配置される。ＥＧＲ制御弁２６の開度を調整することによって、燃焼室６内へ再び供給される排気ガスの流量を制御することができ、その結果、燃焼室６内に吸入される吸気ガスのＥＧＲ率を制御することできる。ここで、ＥＧＲ率とは、燃焼室６に吸入される吸気ガスの総量に対するＥＧＲガスの量の比率を意味する。
【００２２】
本実施形態の内燃機関１００は、吸気可変バルブタイミング機構２８と、排気可変バルブタイミング機構２９とを更に備える。吸気可変バルブタイミング機構２８は、吸気弁９の位相角を変更することができるように構成される。また、本実施形態の吸気可変バルブタイミング機構２８は、吸気弁９の作用角が１８０°以上の所定角度に維持されて変更されないように構成される。したがって、吸気可変バルブタイミング機構２８によれば、吸気弁９の開弁時期と閉弁時期がこれらの角度間隔を一定に保ちながら変更せしめられる。
【００２３】
同様に、排気可変バルブタイミング機構２９は、排気弁１０の位相角を変更することができるように構成される。また、本実施形態の排気可変バルブタイミング機構２９は、排気弁１０の作用角が１８０°以上の所定角度に維持されて変更されないように構成される。したがって、排気可変バルブタイミング機構２９によれば、排気弁１０の開弁時期と閉弁時期がこれらの角度間隔を一定に保ちながら変更せしめられる。なお、内燃機関１００は、必ずしも排気可変バルブタイミング機構２９を備えなくてもよい。
【００２４】
本実施形態の内燃機関１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１と、各種センサを備える制御装置を具備する。ＥＣＵ３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置される。また、排気マニホルド１９には排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４０が配置される。これらエアフロメータ３９及び空燃比センサ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２５】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１１、燃料噴射弁１２、スロットル弁駆動アクチュエータ１７及びＥＧＲ制御弁２６に接続される。
【００２６】
また、本実施形態の内燃機関１００は、リーンバーン内燃機関である。したがって、機関負荷が低いときには、燃焼室６には、空燃比が４０以上の混合気が供給される。このため、機関負荷が低いときにおいてもスロットル弁１８の開度は比較的大きい開度とされ、スロットル弁１８下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力は比較的高い圧力に維持される。したがって、このときは燃焼室６に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室６から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差は−１０ｋＰａ以上となる。これにより、スロットル弁１８の開度を小さくすることによるポンピング損失を低減することができる。
【００２７】
また、機関負荷が高いときには、燃焼室６には、空燃比が理論空燃比近傍の混合気が供給される。この場合にも、スロットル弁１８の開度は比較的大きい開度とされ、したがってスロットル弁１８下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力は比較的高い圧力に維持される。
【００２８】
なお、本実施形態の内燃機関１００は、リーンバーン内燃機関とされているが、スロットル弁１８下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力を高くしてポンピング損失を低減することができれば、異なる内燃機関であってもよい。例えば、ＥＧＲ機構によりＥＧＲガスを吸気通路内に導入することによっても、スロットル弁１８下流側の吸気通路内の吸気ガスの圧力を高めることができる。この場合には、内燃機関の負荷が低いときに、燃焼室６に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室６から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−１０ｋＰａ以上となるように、ＥＧＲ機構によるＥＧＲ率が制御される。
【００２９】
いずれにせよ、内燃機関１００は、内燃機関の負荷が低いときに、燃焼室６に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室６から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差が−１０ｋＰａ以上となるように吸気ガスの圧力を制御することができれば、どのように構成されてもよい。
【００３０】
＜ピストンの構成＞
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態の内燃機関１００において用いられるピストン５の構成について説明する。図２はピストン５を概略的に示す斜視図であり、図３は燃焼室６側から見たピストン５の平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶに沿って見たピストン５の頂面近傍における断面図である。
【００３１】
図２〜図４からわかるように、ピストン５の頂面には、平坦部５１と、隆起部５２と、吸気弁用リセス５３と、排気弁用リセス５４とが設けられる。なお、本明細書では、ピストン５の軸線Ｘ方向においてピストン５から燃焼室６に向かう方向を上方、ピストン５の軸線Ｘ方向においてピストン５からクランクシャフト（図示せず）に向かう方向を下方と称する。しかしながら、機関本体１は、必ずしもピストン５の軸線Ｘが鉛直方向に延びるように配置される必要はなく、ピストン５の軸線Ｘが鉛直方向に対して傾斜して延びるように配置されたり、水平方向に延びるように配置されたりしてもよい。
【００３２】
平坦部５１は、ピストン５の頂面に形成されると共にピストン５の軸線Ｘに対して垂直に延びる。隆起部５２は、平坦部５１から上方に突出するように構成される。隆起部５２は、ピストン５が上死点にあるときに吸気弁９の弁体９ａの一部と対向するように配置された吸気側傾斜面５２ａと、ピストン５が上死点にあるときに排気弁１０の弁体１０ａの一部と対向するように配置された排気側傾斜面５２ｂと、これら傾斜面５２ａ、５２ｂとの間に設けられた突出面５２ｃとを備える。
【００３３】
吸気側傾斜面５２ａは、吸気弁９の軸線に対してほぼ垂直に延びるように、したがって吸気弁９の弁体９ａの燃焼室６側の平面と平行に延びるように形成される。また、排気側傾斜面５２ｂは、排気弁１０の軸線に対してほぼ垂直に延びるように、したがって排気弁１０の弁体１０ａの燃焼室６側の平面と平行に延びるように形成される。突出面５２ｃは、平坦部５１の平面と平行に、ピストン５の軸線Ｘに対して垂直に延びる。
【００３４】
吸気弁用リセス５３は、平坦部５１から下方に凹むように形成される。また、吸気弁用リセス５３は、ピストン５が上死点にあるときに吸気弁９の弁体９ａの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ４当たり二つの吸気弁９が設けられることから、各ピストン５には二つの吸気弁用リセス５３が設けられる。吸気弁用リセス５３は、吸気弁９の軸線に対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は隆起部５２の吸気側傾斜面５２ａと平行に吸気側傾斜面５２ａから連続して延びるように構成される。したがって、吸気弁用リセス５３は、ピストン５が吸気上死点にあるときに吸気弁９とピストン５とが干渉しないようにピストン５の頂面に設けられる。
【００３５】
排気弁用リセス５４は、平坦部５１から下方に凹むように形成される。また、排気弁用リセス５４は、ピストン５が上死点にあるときに排気弁１０の弁体１０ａの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ４当たり二つの排気弁１０が設けられることから、各ピストン５には二つの排気弁用リセス５４が設けられる。排気弁用リセス５４は、排気弁１０の軸線に対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は隆起部５２の排気側傾斜面５２ｂと平行に排気側傾斜面５２ｂから連続して延びるように構成される。したがって、排気弁用リセス５４は、ピストン５が吸気上死点にあるときに排気弁１０とピストン５とが干渉しないようにピストン５の頂面に設けられる。
【００３６】
ピストン５の外周面には、ピストンリングを収容するための三つのリング溝５５〜５７が設けられる。これらリング溝５５は、ピストン５の軸線Ｘに対して垂直な平面上においてピストン５の周方向に全周に亘って延びるように形成される。これら三つのリング溝５５〜５７のうち最も上方に設けられた第１リング溝５５にはトップリング（図示せず）が配置され、中央に設けられた第２リング溝５６にはセカンドリング（図示せず）が配置される。三つのリング溝５５〜５７のうち最も下方に設けられた第３リング溝５７にはオイルリング（図示せず）が配置される。なお、ピストン５の外周面のうちピストン５の頂面から第１リング溝５５までの領域をトップランド５８と称する。
【００３７】
ここで、ピストン５の平坦部５１の平面からの吸気弁用リセス５３の深さの最大値ｄｉｎを吸気弁用リセス５３の最大深さと称し、ピストン５の平坦部５１の平面からの排気弁用リセス５４の深さの最大値ｄｅｘを排気弁用リセス５４の最大深さと称する。本実施形態では、排気弁用リセス５４は、排気弁用リセス５４の最大深さｄｅｘが吸気弁用リセス５３の最大深さｄｉｎ以下になるように構成される。特に、排気弁用リセス５４は、排気弁用リセス５４の最大深さｄｅｘが吸気弁用リセス５３の最大深さｄｉｎよりも小さくなるように構成されるのが好ましい。
【００３８】
ピストン５が吸気上死点にあるときに吸気弁９及び排気弁１０が取り得る最大リフト量は、吸気弁用リセス５３及び排気弁用リセス５４の深さに応じて変化する。これらリセス５３、５４を深くするほど吸気弁９や排気弁１０が取り得る最大リフト量が大きくなる。したがって、本実施形態では、ピストン５が吸気上死点にあるときに排気弁１０が取り得る最大リフト量は、ピストン５が吸気上死点にあるときに吸気弁９が取り得る最大リフト量以下であるか又はそれよりも小さい。
【００３９】
なお、吸気弁用リセス５３及び排気弁用リセス５４の深さが最大となる領域はピストン５の外周面に近接して位置する。このため、ピストン５の平坦部５１の平面から第１リング溝５５までのピストン５の軸線Ｘ方向における長さ（以下、「トップランド５８の高さ」という）を、吸気弁用リセス５３や排気弁用リセス５４の最大深さと同程度にすると、トップランド５８の近傍においてピストン５の強度が弱くなる。したがって、第１リング溝５５は、トップランド５８の高さが吸気弁用リセス５３及び排気弁用リセス５４のうちの深い方（すなわち、本実施形態では吸気弁用リセス５３）の最大深さよりも或る程度大きくなるように配置される。特に、本実施形態では、第１リング溝５５は、ピストン５の強度を十分に確保することができる範囲内においてトップランド５８の高さができるだけ小さくなるように配置される。
【００４０】
＜吸気弁及び排気弁の制御＞
次に、図５を参照して、吸気弁９及び排気弁１０の位相角（バルブタイミング）の制御について説明する。図５は、吸気弁９及び排気弁１０の位相角を示す図である。図５（Ａ）は、機関負荷が高いときにおける吸気弁９及び排気弁１０の位相角を示しており、図５（Ｂ）は、機関負荷が低いときにおける吸気弁９及び排気弁１０の位相角を示している。
【００４１】
また、図５において、ＩＶＯは吸気弁９の開弁時期、ＩＶＣは吸気弁９の閉弁時期、ＥＶＯは排気弁１０の開弁時期、ＥＶＣは排気弁１０の閉弁時期をそれぞれ示している。また、図中の矢印ＩＮで示した期間が吸気弁９の開弁期間を示しており、図中の矢印ＥＸで示した期間が排気弁１０の開弁期間を示している。
【００４２】
図５（Ａ）に示したように、機関負荷が高いときには、吸気弁９の位相角は相対的に進角せしめられる。図５（Ａ）に示した例では、吸気弁９の作用角は、２３５°に設定されていると共に、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯが２５°ＢＴＤＣに設定され、吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣが３０°ＡＢＤＣに設定されている。吸気弁９の開弁時期ＩＶＯを上死点よりも進角側にすることで、吸気弁９及び排気弁１０の両方が同時に開いているバルブオーバーラップ期間（図中のＶＯ）が作られ、これによって吸気ガスの充填効率を高めることができる。また、吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣを僅かに下死点よりも遅角させることにより、吸気ガスの慣性力によって吸気ガスの充填効率を高めることができる。
【００４３】
このように、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯを吸気上死点よりも進角側の時期に設定し、閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点よりも遅角側の時期に設定することで、吸気ガスの充填効率を高めることができる。特に、吸気弁９の位相角を、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯが吸気上死点よりも進角側となり且つ閉弁時期ＩＶＣを吸気下死点よりも遅角側となるような特定の位相角に設定すると、その作用角の吸気弁において吸気ガスの充填効率が最大となる。本実施形態では、吸気可変バルブタイミング機構２８は、吸気弁９はその作用角の吸気弁において吸気ガスの充填効率が最大となるような位相角になるような時期を含む範囲内において、吸気弁９の位相角を制御することができる。この結果、内燃機関１００の最も出力が高くなる運転状態である出力点において、十分な出力を確保することができる。
【００４４】
一方、図５（Ａ）に示したように、機関負荷が高いときには、排気弁１０の位相角は比較的進角側に設定されている。図５（Ａ）に示した例では、排気弁１０の作用角は２３０°に設定されていると共に、排気弁１０の開弁時期ＥＶＯが４５°ＢＢＤＣに設定され、排気弁１０の閉弁時期ＥＶＣが５°ＡＴＤＣに設定されている。排気弁１０の開弁時期ＥＶＯを排気下死点よりも進角側にすることで混合気の膨張の圧力を利用して排気ガスを強制的に排出することができる。また、排気弁１０の閉弁時期ＥＶＣを吸気上死点よりも遅角させることによりバルブオーバーラップ期間が作られ、よって吸気ガスの充填効率が高められる。
【００４５】
また、吸気弁９及び排気弁１０の位相角は、機関回転速度に応じて変化せしめられる。機関負荷が高いときには、吸気弁９及び排気弁１０の位相角は、基本的に機関回転速度が速くなるほど進角せしめられる。これにより、吸気ガスの充填効率を高めることができる。
【００４６】
一方、図５（Ｂ）に示したように、機関負荷が低いときには、吸気弁９の位相角は相対的に遅角せしめられる。図５（Ｂ）に示した例では、このとき、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯが０°ＢＴＤＣに設定され、吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣが５５°ＡＢＤＣに設定されている。このように吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣが遅角されることにより、ポンピング損失が低減され、よって熱効率を高めることができる。
【００４７】
加えて、本実施形態では、図５（Ｂ）に示したように、機関負荷が低いときにも、排気弁１０の位相角は比較的進角側に設定されている。図５（Ｂ）に示した例では、排気弁１０の位相角は機関負荷が高いときと同一に設定されており、よって排気弁１０の開弁時期ＥＶＯが４５°ＢＢＤＣに設定され、排気弁１０の閉弁時期ＥＶＣが５°ＡＴＤＣに設定されている。
【００４８】
また、機関負荷が低いときにおいても、吸気弁９及び排気弁１０の位相角は、機関回転速度に応じても変化せしめられる。機関負荷が低いときには、吸気弁９の位相角は、機関回転速度が遅いとき（例えば、２０００ｒｐｍ未満）には機関回転速度が速くなるにつれて進角せしめられ、機関回転速度が速いときに（例えば、２０００ｒｐｍ以上）には機関回転速度が速くなるにつれて遅角せしめられる。
【００４９】
本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度と吸気弁９の位相角及び排気弁１０の位相角との関係が予め実験的に又は試験によって算出され、マップとしてＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存される。そして、負荷センサ４３によって検出された機関負荷とクランク角センサ４４の出力に基づいて算出された機関回転速度とに基づいて、ＲＯＭ３４に保存されたマップを用いて、吸気弁９の目標位相角及び排気弁１０の目標位相角が算出される。吸気可変バルブタイミング機構２８及び排気可変バルブタイミング機構２９は、この目標位相角となるように吸気弁９及び排気弁１０の位相角を制御する。
【００５０】
＜作用・効果＞
図６〜図８を参照して、上記実施形態に係る内燃機関１００における作用・効果を説明する。図６は、吸気弁９及び排気弁１０の位相角を示す図である。図６は、図５に示した排気弁１０の位相角を比較的進角側に設定した場合との比較のために、排気弁１０の位相角を比較的遅角側に設定した場合を示している。図６（Ａ）は、吸気弁９の位相角を図５（Ａ）と同様に相対的に進角側に設定した場合を、図６（Ｂ）は、吸気弁９の位相角を図５（Ｂ）と同様に相対的に遅角側に設定した場合を示している。
【００５１】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示した例では、排気弁１０の作用角は２３０°に設定されている共に、排気弁１０の開弁時期ＥＶＯが１５°ＢＢＤＣに設定され、排気弁１０の閉弁時期ＥＶＣが３５°ＡＴＤＣに設定されている。
【００５２】
また、図６（Ａ）に示した例では、図５（Ａ）と同様に、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯが２５°ＢＴＤＣに設定され、吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣが３０°ＡＢＤＣに設定されている。一方、図６（Ｂ）に示した例では、吸気弁９の開弁時期ＩＶＯが５°ＡＴＤＣに設定され、吸気弁９の閉弁時期ＩＶＣが６０°ＡＢＤＣに設定されている。
【００５３】
排気弁１０の位相角をこのように設定した場合には、ピストン５が吸気上死点にあるときには排気弁１０は吸気弁９よりも開いている。したがって、排気弁用リセス５４は、その最大深さが吸気弁用リセス５３の最大深さよりも大きくなるように形成されることになる。そして、上述したように、トップランド５８の高さは吸気弁用リセス５３及び排気弁用リセス５４のうちの深い方の最大深さに応じて設定される。このため、排気弁１０の位相角をこのように設定した場合には、ピストン５は、トップランド５８の高さが比較的高くなるように構成されることになる。
【００５４】
図７及び図８は、機械圧縮比と熱効率との関係を示す図である。図中の破線Ａは、吸気弁９の位相角が進角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図５（Ａ）に示したように設定されている場合を示している。図中の一点鎖線Ｂは、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図５（Ｂ）に示したように設定されている場合を示している。
【００５５】
一方、図中の破線Ｃは、吸気弁９の位相角が進角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が遅角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図６（Ａ）に示したように設定されている場合を示している。図中の一点鎖線Ｄは、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が遅角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図６（Ｂ）に示したように設定されている場合を示している。
【００５６】
なお、これら線Ａ〜Ｄは、いずれも図６に示したように排気弁１０の位相角を遅角させても排気弁１０とピストン５とが干渉しないように、排気弁用リセス５４の最大深さが吸気弁用リセス５３の最大深さよりも大きくなるようにピストン５が形成されている場合を示している。したがって、線Ａ〜Ｄは、ピストン５のトップランド５８の高さが比較的高い場合を示している。
【００５７】
一方、図中の実線Ｅは、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が進角側に設定された場合、すなわちこれら位相角が図５（Ｂ）に示したように設定されている場合を示している。加えて、図中の実線Ｅは、排気弁用リセス５４の最大深さが吸気弁用リセス５３の最大深さ以下になるようにピストン５が形成されている場合を示している。したがって、実線Ｅは、ピストン５のトップランド５８の高さが比較的低い場合を示している。なお、実線Ｅで示した場合には、排気弁１０の位相角が進角側に設定されていることから、排気弁用リセス５４の最大深さを小さくしても排気弁１０とピストン５とは吸気上死点においても干渉しない。
【００５８】
ここで、図７は、リーンバーン内燃機関ではなく且つＥＧＲガスを燃焼室６に大量に供給することができない内燃機関における機械圧縮比と熱効率との関係を示している。したがって、図７は、燃焼室６に供給される吸気ガスの圧力から燃焼室６から排出される排気ガスの圧力を減算した圧力差（以下、「吸排気圧力差」ともいう）が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関における関係を示している。
【００５９】
図７からわかるように、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関では、いかなる機械圧縮比においても、一点鎖線Ｄが最も熱効率が高いことがわかる。すなわち、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関では、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が遅角側に設定されると、機械圧縮比に無関係に熱効率が高いことがわかる。
【００６０】
一方、図８は、リーンバーン内燃機関やＥＧＲガスを燃焼室６に大量に供給することができる内燃機関における機械圧縮比と熱効率との関係を示している。したがって、図８は、吸排気圧力差が−１０ｋＰａ以上の状態で運転されている内燃機関１００における関係を示している。
【００６１】
図８からわかるように、機械圧縮比が１５未満の領域では、一点鎖線Ｄの熱効率が最も高いことがわかる。したがって、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関でも、機械圧縮比が１５未満の領域では、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が遅角側に設定されると熱効率が高いといえる。
【００６２】
しかしながら、機械圧縮比が１５以上の領域では、実線Ｅの熱効率が最も高いことがわかる。したがって、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関では、機械圧縮比が１５以上の領域では、排気弁用リセス５４の最大深さを小さくしてピストン５のトップランド５８の高さを低くすると共に、吸気弁９の位相角が遅角側に設定され且つ排気弁１０の位相角が進角側に設定すると、熱効率が高くなる。
【００６３】
このように吸排気圧力差が−１０ｋＰａ以上の状態で運転されている内燃機関１００において、機械圧縮比が１５以上の領域では実線Ｅが最も熱効率が高くなるのは下記のような理由によるものであると考えられる。
【００６４】
すなわち、機械圧縮比が高くなるほど、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積に占めるクレビス領域（ピストン５のトップランド５８とシリンダ４内面との間の領域）の割合が高くなる。クレビス領域内に存在する混合気は、燃焼室６内の混合気に点火されても燃焼せずに残るため、クレビス領域の割合が高くなると未燃損失が増大する。したがって、機械圧縮比が高くなるほど未燃損失は増大する。
【００６５】
ここで、上述したようにトップランド５８の高さが低くなると、クレビス領域が小さくなる。したがって、トップランド５８の高さが低くなると未燃損失を低減することができる。したがって、排気弁用リセス５４の最大深さを小さくすることによって未燃損失を低減させることができる。
【００６６】
一方、排気弁１０の位相角を遅角させることによって排気弁１０の開弁時期ＩＶＯが遅角せしめられる。このため排気ガスの燃焼エネルギのピストン５の運動エネルギへの変換割合が高くなるため、内燃機関の熱効率を向上させることができる。そして、機械圧縮比が１５未満であるときには、クレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減よりも排気弁１０の開弁時期ＩＶＯを遅角させることによる熱効率の向上の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、機械圧縮比が１５未満の領域では一点鎖線Ｄの熱効率が最も高くなっていると考えられる。一方、機械圧縮比が１５以上であるときには、排気弁１０の開弁次期ＩＶＯを遅角させることによる熱効率の向上よりもクレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、機械圧縮比が１５以上の領域では実線Ｅの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
【００６７】
また、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも低い状態で運転されている内燃機関１００では、もともとポンピング損失が大きい。このため、排気弁１０の位相角を遅角してバルブオーバーラップ期間を長くすることによってポンピング損失を大きく低減することができ、よって熱効率を大きく向上させることができる。このため、吸排気圧力差が−１０ｋＰａよりも小さい内燃機関１００では、クレビス領域が小さくなることによる未燃損失の低減よりも、排気弁１０の閉弁時期ＩＶＣを遅角させることによる熱効率の向上の方が、内燃機関全体の熱効率に対する影響が大きいと考えられる。その結果、図７では、機械圧縮比にかかわらず、一点鎖線Ｄの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
【００６８】
一方、吸排気圧力差が−１０ｋＰａ以上の状態で運転されている内燃機関１００では、もともとポンピング損失が小さい。このため、排気弁１０の位相角を遅角してバルブオーバーラップ期間を長くしても、ポンピング損失を低減させる効果がそれほど高くない。このため、図８では、機械圧縮比によっては、実線Ｅの熱効率が最も高くなっていると考えられる。
【００６９】
以上より、本実施形態では、機関負荷が低いときでも吸排気圧力差が−１０ｋＰａ以上の状態で運転されるように吸気ガスの圧力が制御されている機械圧縮比が１５以上の内燃機関において、排気弁用リセス５４の最大深さを小さくしてピストン５のトップランド５８の高さを低くすることができる。したがって、熱効率をできるだけ高くすることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１    機関本体
２    シリンダブロック
３    シリンダヘッド
４    シリンダ
５    ピストン
６    燃焼室
９    吸気弁
１０    排気弁
２８    吸気可変バルブタイミング機構
２９    排気可変バルブタイミング機構
５１    平坦部
５２    隆起部
５３    吸気弁用リセス
５４    排気弁用リセス
５５    第１リング溝
５８    トップランド
【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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