(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンであって、
吸気通路の一方端と排気通路の一方端との各々と頂部において接続される気筒と、
前記気筒と前記吸気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた吸気バルブと、
前記気筒と前記排気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた排気バルブと、
前記吸気バルブおよび前記排気バルブを動作させる動弁機構とを備え、
前記動弁機構は、
前記排気バルブを排気行程において開弁状態にする第１排気カムと、
前記排気バルブを前記排気行程と吸気行程との各々において前記開弁状態にする第２排気カムと、
前記第１排気カムと前記第２排気カムとのうちのいずれか一方を選択して前記排気バルブを動作させる選択装置と、
前記吸気バルブの閉じタイミングを変更するための変更装置と、を含み、
前記エンジンは、
前記気筒内の第１圧力を検出する第１圧力センサと、
前記吸気通路内の第２圧力を検出する第２圧力センサと、
前記選択装置と前記変更装置とを制御するための制御装置とをさらに備え、
前記制御装置は、前記選択装置によって前記第１排気カムが選択される場合に、前記閉じタイミングを第１タイミングに変更するように前記変更装置を制御し、前記第２排気カムが選択される場合に、前記閉じタイミングが前記第１タイミングよりも早く前記吸気バルブが閉じる第２タイミングに変更するように前記変更装置を制御し、
前記制御装置は、前記第２排気カムが選択される場合でも、前記吸気行程における前記第１圧力と前記第２圧力との差分の大きさの積算値がしきい値よりも大きいときには、前記閉じタイミングが前記第１タイミングになるように前記変更装置を制御し、
前記積算値が前記しきい値よりも小さいときには、前記閉じタイミングが前記第２タイミングになるように前記変更装置を制御する、エンジン。
【請求項２】
エンジンであって、
吸気通路の一方端と排気通路の一方端との各々と頂部において接続される気筒と、
前記気筒と前記吸気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた吸気バルブと、
前記気筒と前記排気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた排気バルブと、
前記吸気バルブおよび前記排気バルブを動作させる動弁機構とを備え、
前記動弁機構は、
前記排気バルブを排気行程において開弁状態にする第１排気カムと、
前記排気バルブを前記排気行程と吸気行程との各々において前記開弁状態にする第２排気カムと、
前記第１排気カムと前記第２排気カムとのうちのいずれか一方を選択して前記排気バルブを動作させる選択装置と、
前記吸気バルブの閉じタイミングを変更するための変更装置と、を含み、
前記エンジンは、
前記気筒内の第１圧力を検出する第１圧力センサと、
前記吸気通路内の第２圧力を検出する第２圧力センサと、
前記選択装置と前記変更装置とを制御するための制御装置とをさらに備え、
前記制御装置は、前記選択装置によって前記第１排気カムが選択される場合に、前記閉じタイミングを第１タイミングに変更するように前記変更装置を制御し、前記第２排気カムが選択される場合に、前記閉じタイミングが前記第１タイミングよりも早く前記吸気バルブが閉じる第２タイミングに変更するように前記変更装置を制御し、
前記制御装置は、前記第２排気カムが選択される場合でも、前記吸気行程の下死点における前記第１圧力と前記第２圧力との差分の大きさがしきい値よりも大きいときには、前記閉じタイミングが前記第１タイミングになるように前記変更装置を制御し、
前記差分の大きさが前記しきい値よりも小さいときには、前記閉じタイミングが前記第２タイミングになるように前記変更装置を制御する、エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気行程と吸気行程とにおいて排気バルブを開弁状態にすることが可能な動弁機構を搭載したエンジンの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、吸気バルブを開弁状態として新気を筒内に導入する吸気行程の後半部分において、排気バルブを少量リフトさせて開弁状態にし、排気ポートの排気ガスを筒内に導入する内部ＥＧＲ（Exhaust  Gas  Recirculation）を行なうエンジンが公知である。
【０００３】
たとえば、特開２０００−１９９４４０号公報（特許文献１）は、機関高負荷の均一燃焼時において、必要量の再循環排気ガスを気筒内へ導入するために、排気弁を吸気行程の中期以降にも開弁させる排気弁開弁手段を備える内燃機関を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９９４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、吸気バルブは、筒内への新気の充填効率を向上させるために、吸気下死点以降においてもインテークマニホールドの圧力が筒内圧よりも高い所定期間が経過するまで開弁状態を維持するよう制御される場合がある。
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように吸気行程の後半において排気バルブを少量リフトさせて開弁状態にする排気開弁手段を備える内燃機関では、少量リフトされて開弁状態となった排気バルブが再び閉弁状態となった後も吸気バルブの開弁状態が所定期間維持されるので、排気バルブから筒内に導入された高温の排気ガスにより筒内圧が増加してインテークマニホールドの圧力に近づいた場合に、筒内に導入されたガス（新気及びＥＧＲガス）の吸気ポート側への逆流が発生してしまうことがある。このような筒内に導入されたガスの吸気ポートへの逆流は、筒内のガスの充填効率を低下させることになるので、目標の空燃比で燃焼を行なうことができず、排気ポテンシャルが悪化し、その結果、燃費が悪化してしまう。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、吸気行程の後半において排気バルブを開弁状態にする場合に気筒内のガスの充填効率の低下を抑制するエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のある局面に係るエンジンは、吸気通路の一方端と排気通路の一方端との各々と頂部において接続される気筒と、気筒と吸気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた吸気バルブと、気筒と排気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた排気バルブと、吸気バルブおよび排気バルブを動作させる動弁機構とを備える。動弁機構は、排気バルブを排気行程において開弁状態にする第１排気カムと、排気バルブを排気行程と吸気行程との各々において開弁状態にする第２排気カムと、第１排気カムと第２排気カムとのうちのいずれか一方を選択して排気バルブを動作させる選択装置と、吸気バルブが閉じるタイミングを変更するための変更装置とを含む。エンジンは、選択装置と変更装置とを制御するための制御装置をさらに備える。制御装置は、選択装置によって第１排気カムが選択される場合に、吸気バルブが閉じるタイミングを第１タイミングに変更するように変更装置を制御し、第２排気カムが選択される場合に、吸気バルブが閉じるタイミングが第１タイミングよりも早く吸気バルブが閉じる第２タイミングに変更するように変更装置を制御する。
【０００９】
このようにすると、排気バルブを排気行程と吸気行程との各々において開弁状態にする第２排気カムが選択装置によって選択される場合に吸気バルブが閉じるタイミングが、第１タイミングよりも早く吸気バルブが閉じる第２タイミングに変更される。そのため、吸気行程において排気バルブが開弁状態になり、排気ガスが筒内に戻されることによって筒内圧が上昇しても、吸気バルブが閉じるタイミングが早めることで気筒内のガスが吸気通路側に逆流することを抑制することができる。そのため、筒内のガスの充填効率の低下を抑制することができる。
【００１０】
好ましくは、エンジンは、気筒内の第１圧力を検出する第１圧力センサと、吸気通路内の第２圧力を検出する第２圧力センサとをさらに備える。制御装置は、第２排気カムが選択される場合でも、吸気行程における第１圧力と第２圧力との差分の大きさの積算値がしきい値よりも大きいときには、吸気バルブが閉じるタイミングが第１タイミングになるように変更装置を制御する。制御装置は、第２排気カムが選択される場合、積算値がしきい値よりも小さいときには、吸気バルブが閉じるタイミングが第２タイミングになるように変更装置を制御する。
【００１１】
このようにすると、第２排気カムが選択される場合、第１圧力と第２圧力との差分の大きさの積算値がしきい値よりも小さいときには、吸気行程において排気バルブが開弁状態になることにより筒内圧が高い状態になっていると判定することができる。そのため、このようなときには、吸気バルブが閉じるタイミングを早めることで気筒内のガスが吸気通路側に逆流することを抑制することができる。
【００１２】
さらに好ましくは、エンジンは、気筒内の第１圧力を検出する第１圧力センサと、吸気通路内の第２圧力を検出する第２圧力センサとをさらに備える。制御装置は、第２排気カムが選択される場合でも、吸気行程の下死点における第１圧力と第２圧力との差分の大きさがしきい値よりも大きいときには、吸気バルブが閉じるタイミングが第１タイミングになるように変更装置を制御する。制御装置は、第２排気カムが選択される場合、差分の大きさがしきい値よりも小さいときには、吸気バルブが閉じるタイミングが第２タイミングになるように変更装置を制御する。
【００１３】
このようにすると、第２排気カムが選択される場合、第１圧力と第２圧力との差分の大きさがしきい値よりも小さいときには、吸気行程において排気バルブが開弁状態になることにより筒内圧が高い状態になっていると判定することができる。そのため、このようなときには、吸気バルブが閉じるタイミングを早めることで気筒内のガスが吸気通路側に逆流することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によると、吸気行程の後半において排気バルブを開弁状態にする場合に気筒内のガスの充填効率の低下を抑制するエンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態における吸気側のカムの形状を示す図である。
【図３】本実施の形態における排気側のカムの形状を示す図である。
【図４】２種類のカムを選択する構成の一例を説明するための図である。
【図５】２段カム使用時の運転領域と非使用時の運転領域とを示す図である。
【図６】２段カム非使用時におけるエンジンの状態を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】図６との比較例を示すタイミングチャートである。
【図８】ＥＣＵで実行される制御処理を示すフローチャートである。
【図９】２段カム使用時に進角カムを選択する場合のエンジンの状態を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】インマニ圧と筒内圧との差分の大きさの積算値の算出方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】インマニ圧と筒内圧との差分の大きさの算出方法を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係るエンジン１００の概略構成を示す。本実施の形態において、エンジン１００は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関である。以下の説明においては、ディーゼルエンジンをエンジン１００の一例として説明する。
【００１８】
エンジン１００は、気筒１０２と、ピストン１０４と、インテークマニホールド１０６と、吸気ポート１０８と、排気ポート１１０と、吸気バルブ１２０と、排気バルブ１３０と、第１動弁機構１５０と、第２動弁機構１６０と、制御装置２００とを含む。エンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を経て動作する。
【００１９】
気筒１０２は、円筒形状を有する。気筒１０２内にはピストン１０４が格納される。気筒１０２内で燃料と空気とを含む混合気が燃焼することによってピストン１０４が押し下げられ、クランク機構を介して図示しないエンジン１００のクランクシャフトが回転させられる。気筒１０２は、複数個設けられてもよい。気筒１０２の頂部には、吸気ポート１０８の一方端と、排気ポート１１０の一方端とが接続される。
【００２０】
吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分には、吸気バルブ１２０が設けられる。吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって作動する。すなわち、吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって図１の紙面下方向に押し下げられると、吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部とが連通状態になる。吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって図１の紙面上方向に引き上げられると、吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との間を弁体によって遮断状態にする。
【００２１】
排気ポート１１０の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分には、排気バルブ１３０が設けられる。排気バルブ１３０は、第２動弁機構１６０によって作動する。具体的な動作については吸気バルブ１２０と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。
【００２２】
なお、特に図示しないが、気筒１０２内には、気筒１０２内に燃料を噴射するための燃料噴射インジェクタや、冷間時の始動を補助する補助熱源であるグロープラグなどが設けられる。
【００２３】
吸気ポート１０８の他方端には、インテークマニホールド１０６が接続される。インテークマニホールド１０６は、各気筒に接続される吸気管枝と、共通のサージタンク（いずれも図示せず）とを含む。インテークマニホールド１０６には、吸気管の一方端が接続されており、吸気管の他方端には、エアクリーナ（いずれも図示せず）や過給機のコンプレッサやインタークーラなどが設けられる。
【００２４】
排気ポート１１０の他方端には、エキゾーストマニホールド（図示せず）が接続される。エキゾーストマニホールドには、排気管の一方端が接続されており、排気管の他方端には、過給機のタービンや排気ガス浄化装置など（いずれも図示せず）が設けられる。
【００２５】
第１動弁機構１５０は、たとえば、エンジン１００のシリンダヘッド内に設けられる。第１動弁機構１５０は、バルブスプリング１２１と、ロッカーアーム１２２と、カム１２４と、アクチュエータ１２６とを含む。
【００２６】
バルブスプリング１２１は、ロッカーアーム１２２の一方端からの力が吸気バルブ１２０上方に接続されるタペット１２３に作用しない場合に、吸気バルブ１２０が閉状態になるようにタペット１２３に付勢力を付与して吸気バルブ１２０を所定の位置に保持する。所定の位置とは、吸気バルブ１２０の弁体が吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分を遮断状態にする位置である。
【００２７】
ロッカーアーム１２２の一方端からの力がタペット１２３に作用する場合であって、タペット１２３に作用する力がバルブスプリング１２１の付勢力を上回ることにより、バルブスプリング１２１が縮小しタペット１２３が押し下げられる。これにより、吸気バルブ１２０のリフト量が増加し、開状態になる。
【００２８】
ロッカーアーム１２２の他方端は、カム１２４が回転することによって押し上げられる。ロッカーアーム１２２の一方端と他方端との間の支持部材によって、回転自在に支持されている。そのため、ロッカーアーム１２２の他方端が押し上げられることによって、ロッカーアーム１２２の一方端が押し下げられる。
【００２９】
カム１２４は、回転軸方向から視て略楕円形状の外縁を有しており、その外縁の形状によってロッカーアーム１２２の他方端を押し上げる時期や押し上げ量等が定まる。すなわち、カム１２４の外縁の形状により、吸気バルブ１２０の開閉時期やリフト量が定まる。
【００３０】
カム１２４は、吸気バルブ１２０の動作特性を変更するための２種類のカム部材を含む。カム１２４は、カムシャフト１２５に取り付けられる。カムシャフト１２５は、タイミングチェーン等を介してエンジン１００のクランクシャフトと連動して回転する。
【００３１】
アクチュエータ１２６は、制御装置２００の制御信号に応じて動作し、カム１２４に含まれる２種類のカム部材（図２参照）のうちのいずれか一方を選択する。選択されたカム部材の回転によってロッカーアーム１２２の他方端が押し上げられる。カム部材の選択によって吸気バルブ１２０の動作特性を変更することができる。
【００３２】
第２動弁機構１６０は、たとえば、エンジン１００のシリンダヘッド内に設けられる。第２動弁機構１６０は、バルブスプリング１３１と、ロッカーアーム１３２と、カム１３４と、アクチュエータ１３６とを含む。
【００３３】
なお、第２動弁機構１６０による排気バルブ１３０の開閉動作は、第１動弁機構１５０による吸気バルブ１２０の開閉動作と同様であり、その詳細な説明は繰り返さない。
【００３４】
カム１３４は、回転軸方向から視て略楕円形状の外縁を有しており、その外縁の形状によってロッカーアーム１３２の他方端を押し上げる時期や押し上げ量等が定まる。すなわち、カム１３４の外縁の形状により、排気バルブ１３０の開閉時期やリフト量が定まる。
【００３５】
カム１３４は、排気バルブ１３０の動作特性を変更するための２種類のカム部材（図３参照）を含む。カム１３４は、カムシャフト１３５に取り付けられる。カムシャフト１３５は、タイミングチェーン等を介してエンジン１００のクランクシャフトと連動して回転する。
【００３６】
アクチュエータ１３６は、制御装置２００の制御信号に応じて動作し、カム１３４に含まれる２種類のカム部材のうちのいずれか一方を選択する。選択されたカム部材の回転によってロッカーアーム１３２の他方端が押し上げられる。カム部材の選択によって排気バルブ１３０の動作特性を変更することができる。カム１２４やカム１３４に含まれる２種類のカム部材の詳細な構造やアクチュエータによるカム部材の詳細な選択方法については、後述する。
【００３７】
吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０の動作によって吸気行程において開弁状態となる。吸気バルブ１２０は、排気バルブ１３０が閉弁状態になる直前に開き、少なくともピストン１０４が上死点（ＴＤＣ）に対応する位置から下死点（ＢＤＣ）に対応する位置に移動する間、開弁状態となる。このとき、ピストン１０４が下降することによって気筒１０２内の圧力（以下、筒内圧と記載する）がインテークマニホールド１０６内の圧力（インマニ圧と記載する）よりも低くなる。筒内圧とインマニ圧との圧力差によって吸気ポート１０８から気筒１０２内に空気が導入される。
【００３８】
排気バルブ１３０は、第２動弁機構１６０の動作によって排気行程において開弁状態となる。排気バルブ１３０は、膨張行程の後、ピストン１０４が下死点（ＢＤＣ）まで低下する直前に開き、少なくとも下死点に対応する位置から上死点（ＴＤＣ）に対応する位置に移動する間、開弁状態となる。このとき、筒内圧がエキゾーストマニホールド内の圧力（以下、エキマニ圧と記載する）よりも高いため、筒内圧とエキマニ圧との圧力差によって気筒１０２から排気ポート１１０に燃焼後の排気ガスが流通する。
【００３９】
制御装置２００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）と、メモリと、入出力バッファ等とを含んで構成される。制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１００が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。
【００４０】
制御装置２００は、たとえば、排気管に設けられる空燃比センサによって検出される空燃比の実測値がエンジン１００の運転状態等によって決定される空燃比の目標値になるように燃料噴射インジェクタの燃料噴射時間を調整して燃料噴射量を制御する。
【００４１】
インテークマニホールド１０６には、インテークマニホールド１０６内の圧力を検出する第１圧力センサ３００が設けられる。第１圧力センサ３００は、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。
【００４２】
気筒１０２の頂部には、気筒１０２の筒内の圧力を検出する第２圧力センサ４００が設けられる。第２圧力センサ４００は、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。なお、気筒１０２が複数個設けられる場合には、各気筒に第２圧力センサ４００が設けられる。
【００４３】
以下、カム１２４，１３４の詳細な構造を説明するとともに、アクチュエータ１２６，１３６を用いてカム１２４に含まれる２種類のカム部材のうちのいずれか一方と、カム１３４に含まれる２種類のカム部材のうちのいずれか一方を選択する方法について説明する。
【００４４】
図２は、カム１２４をカムシャフト１２５の回転軸方向から視た形状を示す図である。図２に示すように、カム１２４は、第１カム部材１２４ａと、第２カム部材１２４ｂとを含む。第１カム部材１２４ａおよび第２カム部材１２４ｂの各々は、回転軸方向に沿って所定の厚さを有する。第１カム部材１２４ａと第２カム部材１２４ｂとは、当接して設けられる。
【００４５】
また、第１カム部材１２４ａと第２カム部材１２４ｂとは、カムシャフト１２５の回転軸方向から視て同じ外縁形状を有する。すなわち、第１カム部材１２４ａおよび第２カム部材１２４ｂは、いずれも略楕円形状を有し、上部（図２の紙面上方向）に先細った形状を有する。第２カム部材１２４ｂは、第１カム部材１２４ａに対して、カムシャフト１２５の回転軸を回転中心として予め定められた角度だけずれた位置関係を有する。これにより、第１カム部材１２４ａと第２カム部材１２４ｂとを切り替えることによって、吸気バルブ１２０の開弁期間およびリフト量を維持しつつ、開閉時期を変更することができる。本実施の形態において第１カム部材１２４ａは、少なくとも上死点（ＴＤＣ）前に吸気バルブ１２０が開き始め、下死点（ＢＤＣ）後に閉じるようにカムシャフト１２５に固定される。第２カム部材１２４ｂは、第１カム部材１２４ａが選択される場合よりも吸気バルブ１２０が早く閉じる動作特性を有する。
【００４６】
図３は、カム１３４をカムシャフト１３５の回転軸方向から視た形状を示す図である。図３に示すように、カム１３４は、第３カム部材１３４ａと、第４カム部材１３４ｂとを含む。第３カム部材１３４ａおよび第４カム部材１３４ｂの各々は、回転軸方向に沿って所定の厚さを有する。第３カム部材１３４ａと第４カム部材１３４ｂとは、当接して設けられる。
【００４７】
また、第３カム部材１３４ａと第４カム部材１３４ｂとは、第４カム部材１３４ｂに突起部１３４ｃが設けられる点以外の部分は、同じ外縁形状を有する。第３カム部材１３４ａと第４カム部材１３４ｂとにおける同じ外縁形状の部分は、いずれも略楕円形状を有し、上部に先細った形状を有する。第４カム部材１３４ｂの上部の先細った形状の部分は、カムシャフト１３５の回転軸方向から視て第３カム部材１３４ａの上部の先細った形状の部分と一致した位置に設けられる。
【００４８】
第４カム部材１３４ｂに設けられる突起部１３４ｃは、吸気行程における予め定められた時期に排気バルブ１３０を開弁状態にする位置に設けられる。また、突起部１３４ｃの突出量は、吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量が予め定められた量になるように定められる。これにより、第３カム部材１３４ａと第４カム部材１３４ｂとを切り替えることによって、排気バルブの開弁期間、リフト量および開閉時期を維持しつつ、吸気行程で排気バルブを開弁するか否かを変更することができる。
【００４９】
図４は、カム１３４の第３カム部材１３４ａと第４カム部材１３４ｂとのうちのいずれか一方を選択してロッカーアーム１３２を動作させる構成の一例を示す。なお、カム１２４の第１カム部材１２４ａと第２カム部材１２４ｂとのうちのいずれか一方を選択してロッカーアーム１２２を動作させる構成についても同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。
【００５０】
ロッカーアーム１３２は、ベース部１３２ａと、第１アーム部材１３２ｂと、第２アーム部材１３２ｃと、第１貫通孔１３２ｄと、第２貫通孔１３２ｅと、ベース支持部材１３２ｆとを含む。
【００５１】
ベース部１３２ａは、カムシャフト１３５の回転軸方向から視て一方端と他方端との間に設けられるベース支持部材１３２ｆを回転中心として回転自在に支持される。ベース部１３２ａの一方端には、排気バルブ１３０のタペット１３３に向けて突出する突起部が設けられる。
【００５２】
ベース支持部材１３２ｆは、ベース部１３２ａに加えて、第１アーム部材１３２ｂの一方端および第２アーム部材１３２ｃの一方端の各々を回転自在に支持する。
【００５３】
第１アーム部材１３２ｂの他方端は、第３カム部材１３４ａの外周面に当接する。第２アーム部材１３２ｃの他方端は、第４カム部材１３４ｂの外周面に当接する。
【００５４】
第１アーム部材１３２ｂの一方端と他方端との間には、カムシャフト１３５の回転軸と平行な方向に沿って第１貫通孔１３２ｄが形成される。第２アーム部材１３２ｃの一方端と他方端との間には、カムシャフト１３５の回転軸と平行な方向に沿って第２貫通孔１３２ｅが形成される。
【００５５】
ベース部１３２ａの他方端には、アクチュエータ１３６が内蔵される。アクチュエータ１３６は、第１貫通孔１３２ｄと、第２貫通孔１３２ｅとのうちのいずれか一方にピン形状の突起部１３６ａ，１３６ｂのうちのいずれか一方を挿入する。アクチュエータ１３６は、たとえば、油圧で突起部１３６ａ，１３６ｂを動作させるものであってもよいし、電動で突起部１３６ａ，１３６ｂを動作させるものであってもよい。
【００５６】
アクチュエータ１３６によって突起部１３６ａが第１貫通孔１３２ｄに挿入されると、第１アーム部材１３２ｂとベース部１３２ａとが一体的に動作する。そのため、第３カム部材１３４ａの回転によって第１アーム部材１３２ｂの他方端が押し上げられる場合、第１アーム部材１３２ｂの他方端が作用点となり、ベース支持部材１３２ｆが支点となり、ベース部１３２ａの一方端が力点となる。ベース部１３２ａの一方端が押し下げられると、排気バルブ１３０が開弁状態になる。このとき、第４カム部材１３４ｂが回転しても、第２アーム部材１３２ｃは、一方端を回転中心として揺動するのみとなる。そのため、排気バルブ１３０は、第３カム部材１３４ａの外縁形状による動作特性で動作する。
【００５７】
一方、アクチュエータ１３６によって突起部１３６ｂが第２貫通孔１３２ｅに挿入されと、第２アーム部材１３２ｃとベース部１３２ａが一体的に動作する。そのため、第４カム部材１３４ｂの回転によって第２アーム部材１３２ｃの他方端が押し上げられる場合、第２アーム部材１３２ｃの他方端が作用点となり、ベース支持部材１３２ｆが支点となり、ベース部１３２ａの一方端が力点となる。ベース部１３２ａの一方端が押し下げられると、排気バルブ１３０が開弁状態になる。このとき、第３カム部材１３４ａが回転しても、第１アーム部材１３２ｂは、一方端を回転中心として揺動するのみとなる。そのため、排気バルブ１３０は、第４カム部材１３４ｂの外縁形状による動作特性で動作する。
【００５８】
制御装置２００は、エンジン１００の運転状態に応じてアクチュエータ１３６を動作することによって第３カム部材１３４ａおよび第４カム部材１３４ｂのうちのいずれか一方を選択して選択されたカム部材に対応した動作特性で排気バルブ１３０を開閉させる。
【００５９】
第４カム部材１３４ｂは、突起部１３４ｃが設けられる。そのため、第４カム部材１３４ｂが選択される場合には、吸気行程および排気行程の各々において排気バルブ１３０が開弁状態になる。
【００６０】
以下の説明において第３カム部材１３４ａを「通常排気カム」と記載し、第４カム部材１３４ｂを「２段カム」と記載する場合がある。また、第３カム部材１３４ａが選択される場合を「２段カム非使用時」と記載し、第４カム部材１３４ｂが選択される場合を「２段カム使用時」と記載する場合がある。
【００６１】
制御装置２００は、予め定められた運転領域において２段カムを使用するためにアクチュエータ１３６を制御する。図５に、２段カム使用時の運転領域と、２段カム非使用時の運転領域との一例を示す。図５の横軸は、エンジン回転数Ｎｅを示す。図５の縦軸は、吸気量Ｑを示す。
【００６２】
図５に示すように２段カムを使用する予め定められた運転領域は、エンジン回転数Ｎｅがしきい値Ｎｅ（０）よりも低い低回転領域であって、かつ、吸気量Ｑがしきい値Ｑ（０）よりも低い低負荷領域である。なお、図５に示す運転領域は、一例であり、たとえば、図５の破線で囲われる領域のように、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほど吸気量Ｑのしきい値がしきい値Ｑ（０）よりも低下し、吸気量Ｑが低くなるほどエンジン回転数Ｎｅのしきい値がしきい値Ｎｅ（０）よりも高くなる領域が予め定められた運転領域として設定されてもよい。
【００６３】
制御装置２００は、エンジン１００の運転領域が予め定められた運転領域になると２段カムである第４カム部材１３４ｂが選択されるようにアクチュエータ１３６を制御する。制御装置２００は、エンジン１００の運転領域が予め定められた運転領域外になると通常排気カムである第３カム部材１３４ａが選択されるようにアクチュエータ１３６を制御する。
【００６４】
このように低負荷かつ低回転領域で２段カムを使用することによって、吸気行程において高温のＥＧＲガスを筒内に導入することにより燃焼の安定化が図られる。
【００６５】
以下に、図６および図７を用いて２段カム使用時と２段カム非使用時とにおけるエンジン１００の状態の変化について説明する。図６は、２段カム非使用時におけるエンジン１００の状態の変化を示す。図７は、図６の場合と比べて２段カムを使用している点のみが異なるとした場合のエンジン１００の状態の変化を示す比較例である。
【００６６】
図６を参照して、図６のラインＬＮ１は、インマニ圧の変化を示す。図６の一点鎖線のラインＬＮ２は、２段カム非使用時の筒内圧の変化を示す。図６のラインＩＮ１は、吸気バルブ１２０のリフト量の変化を示す。図６のラインＥＸ１は、排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。図６のラインＬＮ３は、吸気ポート１０８から気筒１０２内への気体の流量を示す。なお、吸気ポート１０８から気筒１０２内への気体の流量は、ゼロよりも大きい場合は順流であること（すなわち、吸気ポート１０８から気筒１０２に気体が流れること）を示し、ゼロよりも小さい場合は逆流であること（気筒１０２から吸気ポート１０８に気体が流れること）を示す。また、カム１２４としては、第１カム部材１２４ａが選択されている場合を想定する。
【００６７】
図６に示すように、排気行程において排気バルブ１３０が閉状態になる前であって、かつ、上死点（ＴＤＣ）の前に吸気バルブ１２０が開き始める。上死点（ＴＤＣ）の後に排気バルブ１３０が閉弁状態になる。上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）の間においてピストン１０４は下降するため、筒内圧が低下する。その結果、インマニ圧と筒内圧との間に差圧が生じることで吸気ポート１０８から気筒１０２に空気が流通する。そのため、吸気ポート１０８から気筒１０２への空気の流量が増加する。
【００６８】
上死点（ＴＤＣ）と下死点（ＢＤＣ）との間において吸気バルブ１２０のリフト量が最も高くなるときに吸気ポート１０８から気筒１０２への空気の流量が最も大きくなる。吸気バルブ１２０は、下死点（ＢＤＣ）の後に閉弁状態になる。排気バルブ１３０も閉弁状態であるため、吸気バルブ１２０の閉弁後においてピストン１０４が上昇することによって筒内圧が上昇していく。
【００６９】
一方、２段カムの使用時においてエンジン１００は、図７に示すような変化を示す。なお、図７のラインＬＮ１，ＩＮ１およびＥＸ１は、図６のラインＬＮ１，ＩＮ１およびＥＸ１と同様に、それぞれ、インマニ圧、吸気バルブ１２０のリフト量および排気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。
【００７０】
図７の破線のラインＬＮ４は、２段カム使用時の筒内圧の変化を示す。図７のＥＸ２は、２段カム使用時の吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。また、図７の破線のラインＬＮ５は、２段カム使用時における吸気ポート１０８から気筒１０２内への気体の流量を示す。
【００７１】
図７のラインＥＸ２に示すように、吸気行程において排気バルブ１３０が開弁状態になると、排気ポート１１０から気筒１０２へと排気ガスが流入するため、２段カム非使用時と比較して筒内圧が上昇する。その結果、インマニ圧と筒内圧との差圧が縮小することによって、図７のラインＬＮ５に示すように、吸気ポート１０８から気筒１０２内への流量が２段カム非使用時と比較して減少する。
【００７２】
図７のラインＩＮ１，ＥＸ２に示されるように、少量リフトされて開弁状態となった排気バルブ１３０が再び閉弁状態となった後も吸気バルブ１２０は、下死点（ＢＤＣ）後においても開弁状態が所定期間維持される。この期間においては、図７のラインＬＮ５に示されるように、排気バルブ１３０から筒内に導入された高温の排気ガスにより筒内圧が増加してインテークマニホールド１０６の圧力に近づいた場合に、筒内に導入されたガス（新気及びＥＧＲガス）の吸気ポート側への逆流が発生してしまうことがある。このような筒内に導入されたガスの吸気ポートへの逆流は、気筒１０２内のガスの充填効率を低下させることになるので、空燃比制御の実行時において目標の空燃比で燃焼を行なうことができず、排気ポテンシャルが悪化し、その結果、燃費が悪化してしまう。
【００７３】
そこで、本実施の形態においては、制御装置２００が、第３カム部材１３４ａが選択される場合に、吸気バルブ１２０の閉じタイミングを第１タイミングに変更するように第１カム部材１２４ａを選択する。制御装置２００は、第４カム部材１３４ｂが選択される場合に、吸気バルブ１２０の閉じタイミングが第１タイミングよりも早く吸気バルブ１２０が閉じる第２タイミングに変更するように第２カム部材１２４ｂを選択する。
【００７４】
このようにすると、逆流量の増加を抑制することができる。そのため、気筒１０２筒内のガスの充填効率の低下を抑制することができる。
【００７５】
以下の説明において第１カム部材１２４ａを「通常吸気カム」と記載し、第２カム部材１２４ｂを「進角カム」と記載する場合がある。
【００７６】
図８に、本実施の形態に係るエンジン１００の動作を制御する制御装置２００で実行される制御処理を示すフローチャートを示す。制御装置２００は、図８に示す制御処理を所定の時間間隔毎に実行する。
【００７７】
ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置２００は、２段カム使用時であるか否かを判定する。制御装置２００は、たとえば、エンジン１００の運転領域が図５で示された予め定められた運転領域内である場合に、２段カム使用時であると判定する。２段カム使用時であると判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移される。
【００７８】
Ｓ１０２にて、制御装置２００は、２段カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１３６を用いて第４カム部材１３４ｂを選択する。
【００７９】
Ｓ１０４にて、制御装置２００は、進角カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１２６を用いて第２カム部材１２４ｂを選択する。
【００８０】
Ｓ１００にて、２段カム使用時でないと判定される場合（Ｓ１００にてＮＯ）、Ｓ１０６にて、制御装置２００は、通常排気カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１３６を用いて第３カム部材１３４ａを選択する。
【００８１】
Ｓ１０８にて、制御装置２００は、通常吸気カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１２６を用いて第１カム部材１２４ａを選択する。
【００８２】
以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係るエンジン１００の制御装置２００の動作について図９を用いて説明する。なお、図９のラインＬＮ１，ＩＮ１、ＥＸ１およびＥＸ２は、図７のラインＬＮ１，ＩＮ１、ＥＸ１およびＥＸ２と同様に、それぞれ、インマニ圧、吸気バルブ１２０のリフト量、排気バルブ１３０のリフト量、２段カム使用時の吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。
【００８３】
図９の破線のラインＬＮ４は、２段カムおよび通常吸気カムが選択された場合の筒内圧の変化を示し、図７のラインＬＮ４と同様である。図９の破線のラインＬＮ５は、２段カムおよび通常吸気カムが選択された場合の吸気ポート１０８から気筒１０２内への気体の流量を示し、図７のラインＬＮ５と同様である。図９のラインＬＮ６は、２段カムおよび進角カムが選択された場合の筒内圧の変化を示す。図９の一点鎖線のラインＬＮ７は、２段カムおよび進角カムが選択された場合の吸気ポート１０８から気筒１０２内への気体の流量を示す。図９の破線のラインＩＮ２は、進角カムが選択された場合の吸気バルブ１２０のリフト量の変化を示す。
【００８４】
図９のラインＥＸ２に示すように、吸気行程において排気バルブ１３０が開弁状態になると、排気ポート１１０から気筒１０２へと排気ガスが流入するため、図９のラインＬＮ６に示すように、２段カム非使用時と比較して筒内圧が上昇する。その結果、インマニ圧と筒内圧との差圧が縮小することにより、図９のラインＬＮ７に示すように、下死点（ＢＤＣ）に直前における吸気ポート１０８から気筒１０２内への流量が２段カム非使用時と比較して減少する。
【００８５】
さらに、図９のラインＩＮ２に示されるように、進角カムが選択される場合、通常カムが選択される場合（ラインＩＮ１）よりも吸気バルブ１２０が早く開く。吸気バルブ１２０が早く開くことにより、図９のラインＬＮ６に示されるように、通常カムおよび２段カムが選択される場合よりも（図９のラインＬＮ４）、早いタイミングで筒内圧が低下する。
【００８６】
さらに、図９のラインＩＮ２に示されるように、進角カムが選択される場合、通常カムが選択される場合（ラインＩＮ１）よりも吸気バルブ１２０が早く閉じる。吸気バルブ１２０が早く閉じることにより、図９のラインＬＮ７に示されるように、気筒１０２内の気体が吸気ポート１０８に逆流することが抑制される。そのため、通常吸気カムおよび２段カムが選択される場合の流量（図９のラインＬＮ５）と比較して、逆流する気体の流量の増加が抑制される。
【００８７】
以上のようにして、本実施の形態に係るエンジン１００によると、２段カムが選択される場合に進角カムが選択されることによって通常吸気カムが選択される場合に吸気バルブ１２０が閉じるタイミングよりも早く吸気バルブ１２０を閉じることができる。そのため、吸気行程において排気バルブ１３０が開弁状態になることによって、排気ガスが気筒１０２内に流通して筒内圧が上昇する場合にも、吸気バルブ１２０の閉じるタイミングを早めて気筒１０２内のガスが吸気ポート１０８に逆流することを抑制することができる。その結果、気筒１０２内のガスの充填効率の低下を抑制することができる。これにより、たとえば、空燃比制御の実行時において空燃比を目標の空燃比に制御することができるため、燃費の悪化を抑制することができる。したがって、吸気行程の後半において排気バルブを開弁状態にする場合に気筒内のガスの充填効率の低下を抑制するエンジンを提供することができる。
【００８８】
以下、変形例について説明する。
本実施の形態においては、２段カム使用時に（すなわち、エンジン１００の運転領域が予め定められた運転領域である場合に）進角カムを選択するものとして説明したが、２段カムを選択する場合でも、吸気行程（たとえば、上死点から下死点まで）におけるインマニ圧と筒内圧との差分（すなわち、インマニ圧を示す値から筒内圧を示す値を減算した値）大きさの積算値がしきい値以上であるときには通常吸気カムを選択し、積算値がしきい値よりも小さいときには進角カムを選択してもよい。
【００８９】
図１０は、インマニ圧と筒内圧との差分の大きさの積算値の算出方法を説明するための図である。なお、図１０のラインＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５，ＩＮ１，ＥＸ１およびＥＸ２は、図７のラインＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５，ＩＮ１，ＥＸ１およびＥＸ２と同様で、それぞれ、インマニ圧、筒内圧、空気の流量、吸気バルブ１２０のリフト量、排気行程における排気バルブ１３０のリフト量および吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。
【００９０】
制御装置２００は、たとえば、上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）までの期間において、予め定められたクランク角毎に筒内圧とインマニ圧との差分の大きさ（絶対値）を算出する。制御装置２００は、算出された差分の大きさと予め定められたクランク角とを乗算した値の合計値（図１０のラインＬＮ１とラインＬＮ４とで囲まれた斜線部分の面積）を算出する。制御装置２００は、算出された合計値がしきい値よりも小さい場合に、次回以降の燃焼サイクルで進角カムを選択する。制御装置２００は、算出された合計値がしきい値以上の場合には、通常吸気カムを選択する。なお、制御装置２００は、たとえば、吸気バルブ１２０が開いてから閉じるまでの期間における合計値を算出してもよい。
【００９１】
このようにすると、２段カム使用時において気筒１０２内のガスの充填効率が低下する可能性があるエンジン１００の運転状態のときに進角カムを選択することによって気筒１０２内のガスの充填効率の低下を抑制することができる。
【００９２】
さらに、本実施の形態においては、２段カム使用時に（すなわち、エンジン１００の運転領域が合予め定められた運転領域である場合に）進角側のカムを選択するものとして説明したが、２段カムを選択する場合でも、下死点（ＢＤＣ）におけるインマニ圧と筒内圧との差分（すなわち、インマニ圧を示す値から筒内圧を示す値を減算した値）の大きさがしきい値以上のときには通常吸気カムを選択し、２段カムを選択する場合に差分の大きさがしきい値よりも小さいときには進角カムを選択してもよい。
【００９３】
図１１は、インマニ圧と筒内圧との差分の大きさの算出方法を説明するための図である。なお、図１１のラインＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５，ＩＮ１，ＥＸ１，ＥＸ２は、図７のラインＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５，ＩＮ１，ＥＸ１およびＥＸ２と同様で、それぞれ、インマニ圧、筒内圧、空気の流量、吸気バルブ１２０のリフト量、排気行程における排気バルブ１３０のリフト量および吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化を示す。
【００９４】
制御装置２００は、たとえば、吸気行程後半の下死点（ＢＤＣ）においてインマニ圧と筒内圧との差分の大きさを算出する。制御装置２００は、算出された差分の大きさがしきい値よりも小さい場合に、次回以降の燃焼サイクルで進角カムを選択する。制御装置２００は、算出された差分の大きさがしきい値以上の場合には、通常吸気カムを選択する。
【００９５】
このようにすると、２段カム使用時において気筒１０２内のガスの充填効率が低下する可能性があるエンジン１００の運転状態のときに進角カムを選択することによって気筒１０２内のガスの充填効率の低下を抑制することができる。
【００９６】
また、本実施の形態においては、第１動弁機構１５０および第２動弁機構１６０として、ロッカーアームを用いた構成を一例として説明したが、特にロッカーアームを用いた構成に限定されるものではない。第１動弁機構１５０および第２動弁機構１６０は、たとえば、カムが直接吸気バルブ１２０や排気バルブ１３０のタペット１３３を押す構成であってもよい。
【００９７】
本実施の形態においては、進角カムを選択することで通常吸気カムが選択される場合よりも吸気バルブ１２０を早く閉じるものとして説明したが、吸気バルブ１２０の閉じタイミングを変更する構成としては、特に、進角カムと通常吸気カムとのうちのいずれかを選択する構成に限定されるものではない。
【００９８】
たとえば、２段カム使用時に、吸気バルブ１２０の開閉時期を変更するバルブタイミング可変機構を用いることによって吸気バルブ１２０の閉じタイミングを早めるようにしてもよい。
【００９９】
バルブタイミング可変機構は、たとえば、吸気バルブ１２０のカムシャフト１２５とクランクシャフトとの回転位相を変化させることにより、リフト量を維持しつつ、吸気バルブ１２０の開閉タイミングを変更する機構である。
【０１００】
カムシャフト１２５，１３５の一方端の各々には、カムスプロケットが設けられる。双方のカムスプロケットには同じタイミングチェーンが巻きかけられる。タイミングチェーンは、クランクシャフトに設けられるタイミングロータにも巻きかけられる。このような構成によってクランクシャフトとカムシャフト１２５，１３５は、同期して回転する。
【０１０１】
バルブタイミング可変機構は、カムシャフト１２５とカムスプロケットとの回転位相を電動式または油圧式のアクチュエータを用いて変化させる。制御装置２００は、当該アクチュエータを制御することにより吸気バルブ１２０の開閉タイミングを変化させる。
【０１０２】
２段カム使用時に、このようなバルブタイミング可変機構を用いて吸気バルブ１２０の開閉タイミングを進角する（開閉タイミングを早める）ことにより、吸気行程の後半において気筒１０２内のガスが吸気ポート１０８に逆流することを抑制することができる。
【０１０３】
あるいは、たとえば、２段カム使用時に、吸気バルブ１２０のリフト量を変更するリフト量可変機構を用いることによって吸気バルブ１２０の閉じタイミングを早めるようにしてもよい。
【０１０４】
リフト量可変機構は、たとえば、電動式または油圧式のアクチュエータを用いて、吸気カムとロッカーアームとの当接位置を変更したり、ロッカーアームのレバー比を変更したりする機構である。制御装置２００は、当該アクチュエータを制御することにより吸気バルブ１２０のリフト量を変化させる。
【０１０５】
２段カム使用時に、このようなリフト量可変機構を用いて吸気バルブ１２０のリフト量を減少させることにより、吸気バルブ１２０の閉じタイミングを早めることができる。そのため、吸気行程の後半において気筒１０２内のガスが吸気ポート１０８に逆流することを抑制することができる。
【０１０６】
なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０７】
１００  エンジン、１０２  気筒、１０４  ピストン、１０６  インテークマニホールド、１０８  吸気ポート、１１０  排気ポート、１２０  吸気バルブ、１２１，１３１  バルブスプリング、１２２，１３２  ロッカーアーム、１２４，１３４  カム、１２４ａ，１２４ｂ，１３４ａ，１３４ｂ  カム部材、１２５，１３５  カムシャフト、１２６，１３６  アクチュエータ、１３０  排気バルブ、１３２ａ  ベース部、１３２ｂ，１３２ｃ  アーム部材、１３２ｄ，１３２ｅ  貫通孔、１３２ｆ  ベース支持部材、１３４ｃ，１３６ａ，１３６ｂ  突起部、１５０，１６０  動弁機構、２００  制御装置、３００，４００  圧力センサ。
【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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【図１１】
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