(57)【要約】【課題】低負荷から高負荷までの幅広い領域で、筒内ガス流動を強化する。【解決手段】吸気バルブ７のリフト量を可変に制御可能な可変動弁機構９と、燃焼室１の吸気通路開口部５ａ付近に設けられ、少なくとも吸気バルブ７のリフト量が小さいときには開口部５ａから流入する吸気の経路の一部を遮断するマスク１５と、吸気通路５の流路断面積を調節することで筒内ガス流動を強化するポート遮断弁１４と、を備え、相対的に機関負荷が低い低負荷領域では吸気バルブ７のリフト量を小さくし、相対的に機関負荷が高い高負荷領域では吸気バルブ７のリフト量を高くし、かつポート遮断弁１４を閉じるように制御することにより、それぞれの領域で筒内ガス流動を強化する内燃機関において、低負荷領域と前記高負荷領域との中間の領域で筒内ガス流動を強化する中負荷筒内ガス流動強化手段１３を備える。【選択図】図６
2008208794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁のリフト量を可変に制御可能な可変動弁機構と、
前記吸気弁により開閉される吸気通路の開口部付近の燃焼室内壁に設けられ、少なくとも前記吸気弁のリフト量が小さいときには、前記開口部から流入する吸気の経路の一部を遮断するマスク部と、
前記吸気通路の流路断面積を調節することで筒内ガス流動を強化するポート遮断弁と、
を備え、
相対的に機関負荷が低い低負荷領域では前記吸気弁のリフト量を小さくし、相対的に機関負荷が高い高負荷領域では前記吸気弁のリフト量を高くし、かつ前記ポート遮断弁を閉じるように制御することにより、それぞれの領域で筒内ガス流動を強化する内燃機関において、
前記低負荷領域と前記高負荷領域との中間の領域である中負荷領域に、筒内ガス流動を強化する中負荷筒内ガス流動強化手段を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
ピストン上死点位置を可変に制御可能な可変上死点機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
ピストン冠面に、概ね前記吸気弁のリフト方向に沿って延びる側壁部を有するバルブリセスを備え、
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記可変上死点機構によりピストン上死点位置を上昇させることで、前記側壁部によって前記燃焼室に流入する吸気の経路の一部を遮断して筒内ガス流動を強化することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記可変上死点機構により、少なくとも前記高負荷領域の一部では、前記中負荷領域よりもピストン上死点位置を低くすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記可変上死点機構によりピストン上死点位置を上昇させて、前記ピストン冠面と前記燃焼室内面との間に生じたスキッシュ流により筒内ガス流動が強化されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記可変上死点機構により、少なくとも前記低負荷領域の一部では、前記中負荷領域よりもピストン上死点位置を低くすることを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項７】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記可変上死点機構により、少なくとも前記低負荷領域の一部ではピストン上死点位置を前記中負荷領域と略同等にすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁から燃料を噴射する際の燃料圧力を変化させる燃料圧力調節手段と、
を備え、
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記燃料圧力調節手段により前記燃料圧力を上昇させることで筒内ガス流動を強化することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項９】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、前記中負荷領域の燃料圧力が低負荷領域からステップ的に高くなるよう前記燃料圧力調節手段を制御することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、筒内流動を強化する中負荷領域の燃料圧力が少なくとも高負荷領域の一部における燃料圧力より高くなるように前記燃料圧力調節手段を制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記中負荷筒内ガス流動強化手段は、少なくとも１サイクル当りの当該気筒への燃料噴射量の一部を圧縮上死点近傍で噴射することにより筒内ガス流動を強化することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記マスク部により強化される筒内ガス流動はスワール流動であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１３】
排気の一部を吸気通路に還流させるためのＥＧＲ通路と、
一つの燃焼室に少なくとも二つ設けた吸気通路と、
を備え、
前記マスク部をいずれか一方の前記吸気通路の開口部付近に設け、
前記開口部付近にマスク部を設けた吸気通路に前記ＥＧＲ通路を接続することを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記ＥＧＲ通路を、前記ポート遮断弁よりも下流の吸気通路に接続することを特徴とする請求項請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
一つの燃焼室に少なくとも二つ設けた吸気通路を備え、
前記マスク部をいずれか一方の前記吸気通路の開口部付近に設け、
前記ポート遮断弁は、前記吸気通路の流路を全閉にすることが可能であり、かつ前記開口部付近にマスク部を設けた吸気通路に配置されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内ガス流動制御装置に関し、特に、低負荷領域から高負荷領域までの幅広い運転領域でガス流動を強化することが可能な筒内ガス流動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の筒内ガス流動を制御するための手段として、吸気２弁式内燃機関の一方の吸気通路を遮断することによって筒内にスワールを発生させる、いわゆるスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を設ける手段や、筒内の吸気通路開口部近傍に吸気流れの一部を遮断するようにマスクを設ける手段が知られている。
【０００３】
そして、特許文献１には、スワール生成用のプライマリ吸気ポートと、ポート遮断弁を有するタンブル生成用のセカンダリ吸気ポートと、両吸気ポートの間に設けた第１マスクと、セカンダリ吸気ポートとこれに隣り合う排気ポートとの間に設けた第２マスクと、を備える構成により、低吸入空気量（低負荷）領域では、スワールを強化すると共に効果的にスキッシュ流を生じさせることで筒内ガスの成層化、燃焼促進を図り、高吸入空気量（高負荷）領域では、スワール流動とタンブル流動とを効果的に生じさせて、燃料の混合、拡散、燃焼促進を図る技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−１６３９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の手段を、吸気弁リフト量を制御することにより吸入空気量を制御する機関に適用すると、低負荷領域と高負荷領域との中間領域ではガス流動が弱まってしまうおそれがある。
【０００５】
すなわち、負荷の上昇とともに吸気弁リフト量が増大して、吸気弁リフト量がマスク高さよりも大きくなると、マスクが吸気係路を遮断できなくなるためにスワール流動を強化できなくなる。一方、中間領域ではポート遮断弁によりスワール流動を強化できるほどの吸入空気量もない。
【０００６】
なお、中間領域までマスクによってガス流動強化を行おうとすると、マスクの高さを高くする必要があるが、これでは高負荷領域においてマスクが通気抵抗となり、充分な吸入空気量を確保できなくなるおそれがある。また、ポート遮断弁を用いて少ない吸入空気量でスワール流動を強化するためには、ポート遮断弁を吸気弁近傍に設定する必要があるが、レイアウトの制約によって不可能なことが多い。
【０００７】
そこで、本発明では、吸気弁のリフト量により吸入空気量を制御する内燃機関において、低負荷領域から高負荷領域までの幅広い運転領域で筒内ガス流動を強化することを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内燃機関は、吸気弁のリフト量を可変に制御可能な可変動弁機構と、前記吸気弁により開閉される吸気通路の開口部付近の燃焼室内壁に設けられ、少なくとも前記吸気弁のリフト量が小さいときには、前記開口部から流入する吸気の経路の一部を遮断するマスク部と、前記吸気通路の流路断面積を調節することで筒内ガス流動を強化するポート遮断弁と、を備え、相対的に機関負荷が低い低負荷領域では前記吸気弁のリフト量を小さくし、相対的に機関負荷が高い高負荷領域では前記吸気弁のリフト量を高くし、かつ前記ポート遮断弁を閉じるように制御することにより、それぞれの領域で筒内ガス流動を強化する内燃機関において、前記低負荷領域と前記高負荷領域との中間の領域である中負荷領域に、筒内ガス流動を強化する中負荷筒内ガス流動強化手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、中負荷領域筒内ガス流動強化手段を備えるので、前記マスク部及び前記ポート遮断弁では筒内ガス流動を充分に強化できない中間領域においても筒内ガス流動を強化することが可能となる。これにより、吸気弁のリフト量により吸入空気量を制御する内燃機関において、低負荷領域から高負荷領域までの幅広い運転領域で筒内ガス流動を強化することことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
まず、第１実施形態のシステム構成について説明する。
【００１２】
図１は第１実施形態のシステム構成の概略図であり、エンジンのシリンダ周辺をエンジンのフロント側から見た断面図である。
【００１３】
２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はシリンダブロック３に設けたシリンダ内を摺動するピストン、１はシリンダヘッド２下面とシリンダブロック３とピストン４の冠面とで形成する燃焼室、５は吸気通路、６は排気通路、７は吸気バルブ、８は排気バルブ、９は吸気バルブ７を駆動する可変動弁機構、１０は排気カムシャフト、１１は燃料噴射弁、１２は点火栓、１３はコントロールユニット、１４はポート遮断弁、１５はマスク、１６はＥＧＲ通路、１７は燃料圧力調節手段としての燃料ポンプ、１８は燃料タンクである。
【００１４】
吸気通路５、排気通路６はそれぞれ燃焼室１に開口部を有し、吸気バルブ７は吸気通路５の開口部を開閉し、排気バルブ８は排気通路６の開口部を開閉する。吸気バルブ７、排気バルブ８はそれぞれ可変動弁機構９、排気カムシャフト１０によって駆動される。
【００１５】
なお、本実施形態は吸気バルブ７、排気バルブ８を各気筒にそれぞれ２つずつ備える、いわゆる吸排２弁式であり、吸気通路５及び排気通路６も気筒毎にそれぞれ２本づつ備える。２本の吸気通路５は、シリンダヘッド２の一方の側面に一つの開口部を有する通路がシリンダヘッド２の内部で分岐したものである。また、２本の排気通路６はシリンダヘッド２内部で合流し、シリンダヘッド２の他方の側面に一つの開口部を有する。
【００１６】
燃料噴射弁１１は燃焼室１の側面から燃焼室１に直接燃料を噴射するよう設ける。燃料噴射弁１１へは、燃料ポンプ１７が燃料タンク１８から燃料を吸い上げて供給する。また、点火栓１２は燃焼室１の天井面の中央近傍に設ける。コントロールユニット１３は燃料噴射弁１１の噴射時期、噴射量、噴射圧等及び点火栓１２の点火タイミングの制御を行う他、中間負荷筒内ガス流動強化手段として、後述する中負荷中リフト域での筒内ガス流動を強化するための制御を行う。
【００１７】
ポート遮断弁１４は、開閉することにより一方の吸気通路５の流路面積を調整する。流路面積を小さくすると吸気バルブ７を通過して燃焼室１内に流入する吸入空気量に偏りが生じ、これによりスワール流が生成される。したがって、流路面積を小さくするほどスワール流は強くなり、逆に流路面積を大きくするほどスワール流は弱くなる。ポート遮断弁１４の開閉制御は、後述するように運転状態に応じてコントロールユニット１３にて行われる。
【００１８】
マスク１５は、吸気流動を遮断することで筒内ガス流動を強化するためのものである。具体的には、後述する図６に示すように、少なくともポート遮断弁１４を設けた吸気通路５の燃焼室１側の開口部近傍に、燃焼室１の天井面から概ね吸気バルブ７のリフト方向に突出するように設けられた壁部であり、前記開口部の、吸気通路５の上流側から他方の吸気通路５との間までの略半周に渡って開口部の周縁部に沿って設けられている。詳細については後述する。
【００１９】
ＥＧＲ通路開口部１６ａは排気ガスの一部を還流させるためのＥＧＲ通路１６と吸気通路５との接続部であり、ポート遮断弁１４を設けた吸気通路５の、ポート遮断弁１４よりも吸気流れ下流側に設ける。
【００２０】
なお、排気カムシャフト１０は一般的な回転式のカムシャフトであるため、駆動機構等についての説明は省略する。一方、可変動弁機構９は吸気バルブ５のリフト量、作動角を可変に制御可能な可変動弁機構である。可変動弁機構については、後述する。
【００２１】
図２は可変上死点機構１９の概略図である。
【００２２】
図２は特開２００１−２２７３６７や特開２００２−６１５０１等に記載された機構であるため、機構の概略についてのみ説明する。
【００２３】
この機構において、ピストン４は、第一リンク２０および第二リンク２１を介してクランク軸２３に連結される。第一リンク２０と第二リンク２１とは連結ピン２６を介して連結されている。第二リンク２１は、中央をクランク軸２３のクランクピン２８に回転可能に締結され、クランク軸２３とともに回転する。また、第二リンク２１の第一リンク２０と反対側には、第三リンク２２が連結ピン２７を介して回転可能に締結され、第三リンク２２はコントロールシャフト２４に連結ピン２９を介して固定される。コントロールシャフト２４の中心軸と第三リンク２２の締結部は軸が偏心しており、コントロールシャフト２４が回転することにより、連結ピン２９が移動し、第二リンク２１の傾きが変わることにより第一リンク２０およびピストン４の上死点位置が変わる。コントロールシャフト２４は、モータ付きアクチュエータ２５により回転させられる。
【００２４】
コントロールシャフト２４の回転による上死点位置の変化について、図３を参照して説明する。図３は各リンク、連結ピン及びコントロールシャフト２４の位置関係を模式的に表した図である。図３の左図はピストン４の上死点位置が高い、すなわち高圧縮比に設定した状態、右図はピストン４の上死点位置が低い、すなわち低圧縮比に設定した状態を表す。
【００２５】
コントロールシャフト２４を回転させることにより、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸に対して低くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も下がり、第二リンク２１はクランクピン２８を中心として図中時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は上昇し、ピストン４も上昇して、圧縮比が高まる。
【００２６】
逆に、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸よりも高くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も上がり、第二リンク２１はクランクピン２８を中心として図中反時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は低くなり、ピストン４も下降して圧縮比が低くなる。
【００２７】
上記のようにピストン４の上死点位置を可変に制御することが可能になると、例えばピストン４の上死点位置をより高くすることによりスキッシュ流動を強化したり、後述するようなガス流動を強化することが可能となる。また、複数のリンクを用いた上記構成によれば、ピストン４の挙動を正弦波に近づき、これにより機関振動を低減することが可能となる。
【００２８】
ここで、可変動弁機構９及びその動作について、図４を参照して説明する。
【００２９】
図４は、吸気バルブ５のリフト量及び作動角を可変に制御することができる可変動弁機構９の概略図である。
【００３０】
なお、ここでいうリフト量とは、最大リフト量のことをいう。また、リフト量の可変制御とは最大リフト量を可変制御することをいい、クランクシャフト２３の回転に同期して開閉する際のリフト量変化は除くものである。
【００３１】
また、本実施形態では吸気バルブ７側にのみ前記可変動弁機構を設けるが、排気弁側にも同様の可変動弁機構を設けて、運転状態に応じて排気弁の開閉時期を制御しても構わない。
【００３２】
可変動弁機構は、吸気バルブ７のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構３０と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構３１と、が組み合わされて構成されている。
【００３３】
なお、このリフト・作動角可変機構３０は、本出願人が先に提案し、位相可変機構３１とともに特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００３４】
リフト・作動角可変機構３０は、図１のシリンダヘッド２上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸３２と、この駆動軸３２に圧入等により固定された偏心カム３３と、上記駆動軸３２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸３２と平行に配置された制御軸３４と、この制御軸３４の偏心カム部３５に揺動自在に支持されたロッカアーム３８と、各吸気バルブ７の上端部に配置されたタペット４２に当接する揺動カム４１と、を備えている。ロッカアーム３８は一方の端部付近が連結ピン３７を介してリンクアーム３６と連結されており、他方の端部付近が連結ピン３９を介してリンク部材４０の上方側端部と連結されている。リンク部材４０の下方側端部は連結ピン４５を介して揺動カム４１と連結されている。
【００３５】
上記駆動軸３２は、後述するように、図示しないタイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフト２３によって駆動されるものである。
【００３６】
上記偏心カム３３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸３２の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム３６の環状部３６ａが回転可能に嵌合している。
【００３７】
上記ロッカアーム３８は、略中央部を上記偏心カム部３５が回転可能に貫通している。上記偏心カム部３５は、制御軸３４の軸心から偏心しており、従って、制御軸３４の角度位置に応じてロッカアーム３８の揺動中心は変化する。
【００３８】
上記揺動カム４１は、駆動軸３２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、駆動軸３２の軸方向に対して直角方向へ延びた端部４１ａに、前述したようにリンク部材４０の下端部が連結ピン４５を介して連結している。この揺動カム４１の下面には、駆動軸３２と同心状の円弧をなす基円面４１ｃと、該基円面４１ｃから上記端部へと所定の曲線を描いて延びるカム面４１ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面４１ｃならびにカム面４１ｂが、揺動カム４１の揺動位置に応じてタペット４２の上面に当接するようになっている。
【００３９】
すなわち、上記基円面４１ｃはベースサークル区間として、リフト量がゼロとなる区間であり、揺動カム４１が揺動してカム面４１ｂがタペット４２に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００４０】
上記制御軸３４は、一方の端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ４４によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ４４への油圧供給は、エンジンコントロールユニット１３からの制御信号に基づいて制御されている。
【００４１】
このリフト・作動角可変機構３０の作用を説明する。駆動軸３２が回転すると、偏心カム３３のカム作用によってリンクアーム３６が上下動し、これに伴ってロッカアーム３８が制御軸３４を揺動軸として揺動する。このロッカアーム３８の揺動は、リンク部材４０を介して揺動カム４１へ伝達され、該揺動カム４１が揺動する。この揺動カム４１のカム作用によって、タペット４２が押圧され、吸気バルブ７がリフトする。ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ４４を介して制御軸３４の角度が変化すると、ロッカアーム３８の揺動中心位置が変化し、ひいては揺動カム４１の初期揺動位置が変化する。
【００４２】
例えば、偏心カム部３５が上方へ位置しているとすると、ロッカアーム３８は全体として上方へ位置し、揺動カム４１の端部４１ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム４１の初期揺動位置は、そのカム面４１ｂがタペット４２から離れる方向に傾く。従って、駆動軸３２の回転に伴って揺動カム４１が揺動した際に、基円面４１ｃが長い間タペット４２に接触し続け、カム面４１ｂがタペット４２に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつ、その開時期から閉時期までの角度範囲、すなわちカムの作動角も縮小する。
【００４３】
逆に、偏心カム部３５が下方へ位置しているとすると、ロッカアーム３８は全体として下方へ位置し、揺動カム４１の端部４１ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム４１の初期揺動位置は、そのカム面４１ｂがタペット４２に近付く方向に傾く。従って、駆動軸３２の回転に伴って揺動カム４１が揺動した際に、タペット４２と接触する部位が基円面４１ｃからカム面４１ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００４４】
上記の偏心カム部３５の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性も連続的に変化する。
【００４５】
つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大、縮小させることができる。
【００４６】
位相可変機構３１は、駆動軸３２の前端部に設けられたスプロケット４６と、このスプロケット４６と上記駆動軸３２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。上記スプロケット４６は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトと同期して回転している。位相制御用アクチュエータ４３は、エンジンコントロールユニット１３からの制御信号に基づいて制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の制御によって、スプロケット４６と駆動軸３２とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。
【００４７】
つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も連続的に得ることができる。位相可変機構３１としては、油圧式、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４８】
上述したように、可変動弁機構９によれば、リフト量ならびに作動角を両者同時に、連続的に拡大、縮小させることができ、かつリフト特性を変えずに連続的に全体を進角もしくは遅角させることができるので、吸気バルブ７の開閉時期を独立に制御することが可能となる。
【００４９】
図６を参照して、マスク１５、ポート遮断弁１４、及びＥＧＲ導入システムについて説明する。図６は燃焼室１を下部から見た様子を模式的に表した図である。なお、吸気バルブ７、排気バルブ８は省略している。
【００５０】
マスク１５は、前述したようにポート遮断弁１４を設けた方の吸気通路５の開口部５ａ付近に、開口部５ａの周縁部に沿って設ける。設ける範囲は、開口部５ａの吸気通路５上流方向から隣り合う吸気通路５の開口部５ａとの間までであり、マスク１５の高さは、低負荷域かつ吸気バルブ７の低リフト時（以下、低負荷低リフト域という）に、開口部５ａと吸気バルブ７との間に生じる隙間を遮断する程度とする。
【００５１】
また、ＥＧＲ開口部１６もポート遮断弁１４を設けた方の吸気通路５に設ける。
【００５２】
このような構成にすることで、低負荷低リフト域においては、マスク１５を設けた方の吸気通路５から筒内に流入した吸気は吸気通路５の上流方向及び隣り合う吸気通路５方向への流れがマスク１５により遮断されて、隣り合う排気通路６方向に流れることになり、スワール流動が強化される。また、ＥＧＲガスはスワール流動が強化された流れに乗って筒内に流入するので、筒内拡散が抑制されて、筒内内壁付近に分布することになる。
【００５３】
一方、低負荷低リフト域よりも負荷及びリフト量が増大する領域（以下、高負荷高リフト域という）になると、前述したマスク１５による吸気流れの遮断効果がなくなるので、スワール流動強化の効果は小さくなる。
【００５４】
図７を参照して、ピストン４について説明する。図７上図はピストン４の上面図であり、図７下図は上図のＡ−Ａ矢視図である。ピストン４の冠面４ａには、周縁部にスキッシュ流動を強化するための傾斜部（スキッシュエリア）４ｃを設け、また、吸気バルブ７と対向する位置には、吸気バルブ７との衝突を防止するための凹部（バルブリセス）４ｂを設ける。なお、スキッシュエリア４ｃは、必ずしもピストン冠面４ａの全周に渡って設ける必要はなく、例えば吸気通路５側及び排気通路６側にのみ設けるようにしてもよい。
【００５５】
スキッシュエリア４ｃは、ピストン上死点位置が高い場合に、スキッシュ流動を強化する程度（例えば、２ｍｍ程度）まで燃焼室１の天井面に近づくように設定する。
【００５６】
バルブリセス４ｂについて図８を参照して説明する。図８はバルブリセス４ｂ周辺の断面図であり、左図はピストン４の上死点位置を高く設定した場合、右図はピストン４の上死点位置を低く設定した場合を表している。バルブリセス４ｂは吸気バルブ７の傘部と略平行に、かつピストン４の中央部側から周縁部方向に向けて深くなるように設けられた傾斜部４ｄと、概ね吸気バルブ７のリフト方向と平行に設けられた側壁部４ｅとで構成される。
【００５７】
図に示すように、ピストン４の上死点位置を高く設定すると、側壁部４ｅがマスク１５に近づき、マスク１５と同様の作用を奏することになる。一方、ピストン４の上死点位置を低く設定すると、マスク１５と側壁部４ｅとの隙間は大きくなるので、側壁部４ｅが吸気の流れを遮断することはない。
【００５８】
次に、上述したように構成されるシステムの制御について説明する。
【００５９】
吸気バルブ７は、図５のように開閉時期を設定する。すなわち、低負荷域においては、吸気バルブ７の開弁時間を短く、かつリフト量を小さくし、開閉時期を進角する。これにより吸入空気量を制限する。そして、負荷が高くなるほど開弁時間を長く、かつリフト量を増やし、閉弁時期を遅角させる。これにより、負荷が増大するほど吸入空気量を増加させることができる。
【００６０】
上記のように吸気バルブ７の開閉制御を行うことで、スロットルバルブによらずに吸入空気量を制御することが可能となるので、低負荷域から高負荷域までポンプロスを低減することができ、燃費向上を図ることができる。
【００６１】
ピストン上死点位置は、図９の実線に示すように制御する。すなわち、低負荷低リフト域と高負荷高リフト域との中間の領域（以下、中負荷中リフト域という）におけるピストン上死点位置を、他の領域よりも高く設定する。なお、中負荷中リフト域から高負荷高リフト域にかけては、ピストン上死点位置は徐々に低くなるように設定する。
【００６２】
ポート遮断弁１４は、低負荷低リフト域では開き、負荷の増大に伴って開度を小さくし、高負荷高リフト域では閉じるよう制御する。
【００６３】
上記のように吸気バルブ７、ピストン上死点位置及びポート遮断弁１４を制御することで、低負荷低リフト域では、前述したようにマスク１５によりスワール流動が強化され、ＥＧＲガスは筒内内壁部付近に集中することとなる。これにより、筒内周辺部にＥＧＲガス、その内側に新気が存在するという層状吸気が可能となり、燃焼安定性を確保しつつ大量のＥＧＲガスを導入することが可能となる。
【００６４】
なお、機関最大膨張比が例えば１８〜２０程度と極めて大きく設定される場合には、低負荷低リフト域での過膨張の問題、すなわち、膨張行程後半で筒内が負圧になり、負の仕事をすることで燃費が悪化するという問題があった。しかし、本実施形態のように、低負荷低リフト域ではピストン上死点位置を下げることで膨張比を小さくし、かつスワール流動強化により燃焼を促進することで、前記過膨張の問題を解消することができる。
【００６５】
中負荷中リフト域ではピストン上死点位置を低負荷低リフト域よりも高くすることにより、ピストン４が燃焼室１の天井面と近づいて、バルブリセス４ｃがマスク１５と同様の作用を奏するので、低負荷低リフト域と同様にスワール流動が強化される。また、スキッシュエリア４ｂが燃焼室１の天井面に近づくとスキッシュ流動が強化される。
【００６６】
このように、スワール流動及びスキッシュ流動が強化されることで筒内の乱れが強くなるので、中負荷中リフト域においても低負荷低リフト域と同様に燃焼安定性を確保しつつ大量のＥＧＲガスを導入することが可能となる。
【００６７】
高負荷高リフト域では、ピストン上死点位置を低くすることによって圧縮比が低下するので、ノッキングを防止することができる。また、吸気バルブ７のリフト量が高くなることでマスク１５によるスワール流動強化の効果は弱くなり、ピストン上死点位置を低くすることでバルブリセス４ｃによるスワール流動強化の効果も得られなくなるが、ポート遮断弁１４によって筒内のガス流動の強さを制御することが可能となる。
【００６８】
低負荷低リフト域から高負荷高リフト域までの筒内ガス流動の強さ又は乱れについてまとめると、図１０のようになる。図１０の縦軸はガス流動及び乱れの強さ、横軸は負荷（バルブリフト量）である。
【００６９】
図１０中の破線はボア径等のエンジンの仕様から定まるガス流動及び乱れの要求値（以下、要求ガス流動強さという）を表し、実線Ａはマスク１５によるスワール流動強さ、実線Ｂはポート遮断弁１４によるスワール流動強さ、実線Ｃはマスク１５によるスワール流動と遮断弁１４によるスワール流動との合成によるスワール流動強さ、を表す。
【００７０】
低負荷低リフト域ではマスク１５によるスワール流動によって要求ガス流動強さを満足することができるが、マスク１５によるスワール流動は負荷の増大とともに弱くなる。
【００７１】
一方、高負荷高リフト域ではポート遮断弁１４によるスワール流動によって要求ガス流動強さを満足することができるが、ポート遮断弁１４によるスワール流動は負荷の低下とともに弱くなる。
【００７２】
中負荷中リフト域では、マスク１５によるスワール流動とポート遮断弁１４によるスワール流動との合成によるガス流動が得られるが、特にマスク１５によるスワール流動及びポート遮断弁１４によるスワール流動のいずれもが弱い領域では、これらのガス流動の合成だけでは要求ガス流動強さを満足する程度のガス流動強さ又は乱れは得られない。
【００７３】
そこで、本実施形態では、中負荷中リフト域においてピストン上死点位置を高くすることで、ピストン冠面４ａと燃焼室１の天井面との距離を短くしてスキッシュ流動が強めている。また、ピストン上死点位置を高めるとマスク１５によるスワール流動の強化が助長されてガス流動が強まる。これらにより、中負荷中リフト域での筒内のガス流動を強めて、マスク１５によるスワール流動とポート遮断弁１４によるスワール流動との合成では不足するガス流動強さ又は乱れを補っている。
【００７４】
なお、高負荷高リフト域にマスク１５による通気抵抗が最小限になるように、かつ低負荷低リフト域でのスワール流動強化の効果が得られるようにマスク１５の高さを設定すると、マスク１５の高さは相対的に低くなるので、図９に破線で示したように、低負荷低リフト域においても中負荷中リフト域と同様のピストン上死点位置に設定し、低負荷低リフト域から積極的にスワール流動を強化してもよい。
【００７５】
また、上記説明では低負荷低リフト域、中負荷中リフト域、高負荷高リフト域と区別したが、ここでいう低負荷、中負荷、高負荷とはエンジンの全運転領域を３つの領域に分割して、負荷の低い方から順に低負荷、中負荷、高負荷、とする場合に限られず、相対的に負荷が低い領域を低負荷、それよりも負荷が相対的に高い領域を高負荷、低負荷と高負荷との中間領域を中負荷とする場合も含む。したがって、例えばアクセル全開時のように機関全負荷状態となる領域を、高負荷域よりもさらに負荷が高い領域として、機関全負荷域と設定してもよい。この場合、機関全負荷域ではポート遮断弁１４は全開にする。これにより、２つの吸気通路５から筒内に吸入空気を導入し、負荷に応じた吸入空気量を確保することができる。
【００７６】
以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００７７】
低負荷中リフト域はマスク１５、高負荷高リフト域はポート遮断弁１４によりそれぞれ筒内ガス流動を強化し、中負荷中リフト域ではスキッシュエリア４ｃ、バルブリセス４ｂ及び可変上死点機構１９によりスキッシュ流動を生じさせることで筒内ガス流動を強化するので、吸気バルブ７のリフト量によって吸入空気量を制御する内燃機関において、低負荷低リフト域から高負荷高リフト域までの幅広い領域でガス流動を強化することができる。
【００７８】
ピストン上死点位置を可変に制御可能な可変上死点機構１９を備えるので、負荷に応じて圧縮比を制御することが可能となる。さらに、上死点位置を高くした場合には、ピストン４の冠面４ａとマスク１５との間隔が小さくなるので、マスク１５による筒内ガス流動をより強化することができる。
【００７９】
ピストン冠面４ａに、概ね吸気バルブ７のリフト方向に沿って延びる側壁部４ｅを有するバルブリセス４ｂを設けたので、中負荷中リフト域で可変上死点機構１９によりピストン上死点位置を上昇させることで、側壁部４ｅによって燃焼室１に流入する吸気の経路の一部が遮断されて筒内ガス流動が強化される。
【００８０】
可変上死点機構１９により、少なくとも高負荷高リフト域の一部では、中負荷中リフト域よりもピストン上死点位置を低くするので、ノッキングが懸念される高負荷高リフト域で圧縮比を低下させてノッキング発生を防止することができる。
【００８１】
スキッシュエリア４ｃを設けたので、可変上死点機構１９によりピストン上死点位置を上昇させたときに、ピストン冠面４ａと燃焼室１の内面との間に生じたスキッシュ流により筒内ガス流動が強化される。
【００８２】
少なくとも低負荷低リフト域の一部で、中負荷中リフト域よりもピストン上死点位置を低くした場合には、機関最大膨張比が高い機関における過膨張の問題を回避することができる。
【００８３】
少なくとも低負荷低リフト域の一部で、ピストン上死点位置を中負荷中リフト域と略同等にした場合には、低負荷低リフト域からスキッシュ流動を活用できるため、低負荷低リフト域から筒内に強い乱れが必要な場合にも対応することができる。
【００８４】
マスク１５をいずれか一方の吸気通路５の開口部５ａ付近に設け、マスク１５を設けた吸気通路５にＥＧＲ通路１６を接続するので、ＥＧＲガスは強化されたスワール流動に乗せて筒内に流入し、これにより筒内周辺部にＥＧＲガス、その内側に新気が存在するという層状吸気が可能となり、燃焼安定性を確保しつつ大量のＥＧＲガスを導入することが可能となり、機関ポンプロス及び冷却損失を低減して燃費向上を図ることができる。
【００８５】
ＥＧＲ通路１６を、ポート遮断弁１４よりも下流に接続するので、ポート遮断弁１４を閉じた場合にもＥＧＲガスを還流させることができる。
【００８６】
ポート遮断弁１４は、吸気通路５を全閉にすることが可能であり、かつ開口部５ａ付近にマスク１５を設けた吸気通路５に配置するので、ポート遮断弁１４を閉じることでスワール流動を強化させる場合に、ポート遮断弁１４に遮断されない吸気通路５の通気抵抗が少なくて済む。
【００８７】
第２実施形態について説明する。
【００８８】
本実施形態のシステムの構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、中負荷中リフト域における筒内のガス流動及び乱れを強化するために、燃料噴射弁１１から噴射する噴射圧（以下、燃料圧力という）を負荷に応じて制御する点が異なる。
【００８９】
燃料圧力は、燃料ポンプ１７の駆動を制御することにより調節する。この制御はコントロールユニット１３にて行う。なお、いわゆる燃料リターン配管とリリーフバルブを設け、リリーフバルブのリリーフ圧を調節することにより燃料圧力を調節してもよい。
【００９０】
ここで、本実施形態の燃料圧力の制御について図１１を参照して説明する。図１１は燃料圧力と機関負荷との関係を表した図である。
【００９１】
一般的な筒内直接噴射式エンジンでは、負荷の上昇と共に燃料圧力を上昇させるので、中負荷域においても燃料圧力は負荷の上昇に対してリニアに上昇する（図１１中の小破線）。
【００９２】
しかしながら本実施形態では、中負荷中リフト域において、燃料圧力を機構上設定可能な最大値に設定する（図１１中の実線）。
【００９３】
これにより、中負荷中リフト域においては、高い燃料圧力で噴射された燃料によって筒内のガス流動及び乱れを強化することができる。
【００９４】
したがって、第１実施形態と同様に低負荷低リフト域から高負荷高リフト域まで要求ガス流動強さを満足することができる。
【００９５】
また、ピストン上死点位置の制御によってマスク１５によるスワール流動強化の効果を助長したり、スキッシュ流動を強めたりすることにより、燃料圧力を最大値まで高めなくても充分な筒内ガス流動が得られる場合には、高負荷高リフト量域において設定される最低の燃料圧力に設定してもよい（図１１中の大破線）。このように設定した場合には、燃料圧力を上昇させるための燃料ポンプの仕事が小さくなることで燃費が向上するとともに、燃料圧力設定値が不連続になることがなくなるので、制御性及び過渡特性が向上するという効果も得られる。
【００９６】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様に低負荷低リフト域から高負荷高リフト域まで要求ガス流動強さを満足することができるという効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。
【００９７】
筒内直接噴射式エンジンの燃料圧力のもつエネルギーを筒内流動に変換して、中負荷中リフト域での筒内ガス流動の強化に利用するので、燃焼室１やピストン冠面４ａを特別な形状にしなくても、中負荷中リフト域での筒内ガス流動を強化することができる。
【００９８】
中負荷中リフト域での燃料圧力を、高負荷高リフト量域において設定される最低の燃料圧力に設定する場合には、燃料圧力を上昇させるための燃料ポンプの仕事が小さくなることで燃費が向上するとともに、燃料圧力設定値が不連続になることがなくなるので、制御性及び過渡特性が向上する。
【００９９】
第３実施形態について説明する。
【０１００】
本実施形態のシステムの構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、特に中負荷中リフト域における筒内のガス流動及び乱れを強化するために、燃料噴射時期を負荷に応じて制御する点が異なる。
【０１０１】
ここで、本実施形態の燃料噴射時期について図１２を参照して説明する。図１２は中負荷中リフト域におけるクランク角度と燃料噴射時期との関係の一例を表した図である。なお、燃料噴射時期は噴射パルスで表している。
【０１０２】
図１２に示すように、排気上死点後の所定の時期、すなわち吸気行程中に一度燃料噴射を行い、圧縮行程の後半にさらに燃料噴射を行う。なお、吸気行程における燃料噴射での噴射量と圧縮行程後半における燃料噴射での噴射量とを合計したものが、運転状態等から定まる目標燃料噴射量となるように各行程での噴射量を設定する。特に、圧縮行程での噴射量は、筒内ガス流動及び乱れと後述する未燃ガスの増加等の弊害とのバランスを考慮して設定する。また、圧縮行程後半の燃料噴射は、少なくとも点火時期近傍には終了するように噴射時期を設定する。
【０１０３】
通常の筒内直接噴射式エンジンにおいては、吸気行程前半に燃料噴射量の全量を噴射してしまうので、燃料噴射により生じたガス流動は、ピストン４が吸気行程で下降し圧縮行程で上昇する間に減衰してしまう。ところが、本実施形態のように燃料噴射量の一部を圧縮行程後半に噴射することで、筒内のガス流動を強化することができる。
【０１０４】
これにより、中負荷中リフト域においても筒内のガス流動及び乱れを強化することができるので、第１実施形態と同様に低負荷低リフト域から高負荷高リフト域まで要求ガス流動強さを満足することができる。
【０１０５】
また、圧縮行程後半で燃料噴射する場合、大量に噴射すると未燃ガスの増加、燃費の悪化等の弊害が生ずるおそれがあるが、本実施形態のように、当該サイクルでの目標噴射量の一部のみを噴射することで、そのような弊害を防止することができる。
【０１０６】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果を得ることできる。
【０１０７】
圧縮行程において、当該サイクルでの燃料噴射量の一部を噴射するので、燃料圧力の持つエネルギーを効率よく筒内ガス流動に変換することができ、また、燃焼開始までの時間が短くなるので、噴射により生成された筒内ガス流動が燃焼期間中に保存されやすくなる。
【０１０８】
また、圧縮行程での噴射量を制御することにより、未燃ガスの増加、燃費悪化、排気エミッション悪化等を防止することができる。
【０１０９】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１実施形態のシステムの概略構成図である。
【図２】可変上死点可変機構の概略図である。
【図３】可変上死点機構の動作を説明するための図である。
【図４】可変動弁機構の概略図である。
【図５】可変動弁機構による吸気バルブ開閉時期の一例を表す図である。
【図６】燃焼室を下面側から見た図である。
【図７】ピストンの上面図及び断面図である。
【図８】バルブリセス周辺の拡大図である。
【図９】ピストン上死点位置と機関負荷の関係を表す図である。
【図１０】筒内ガス流動と機関負荷との関係を表す図である。
【図１１】燃料圧力と機関負荷との関係を表す図である。
【図１２】第３実施形態の燃料噴射時期の一例を表す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１    燃焼室
２    シリンダヘッド
３    シリンダブロック
４    ピストン
５    吸気通路
６    排気通路
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９    可変動弁機構
１０  排気カムシャフト
１１  燃料噴射弁
１２  点火栓
１３  コントロールユニット
１４  ポート遮断弁
１５  マスク
１６  ＥＧＲ通路１６開口部
１７  燃料圧力調節手段
１８  燃料タンク
１９  可変上死点機構
２０  第一リンク
２１  第二リンク
２２  第三リンク
２３  クランク軸
２４  コントロールシャフト
２５  モータ付きアクチュエータ
２６  連結ピン
２７  連結ピン
２８  クランクピン
２９  連結ピン
３０  リフト・作動角可変機構
３１  位相可変機構
３２  駆動軸
３３  偏心カム
３４  制御軸
３５  偏心カム部
３６  リンクアーム
３７  連結ピン
３８  ロッカーアーム
３９  連結ピン
４０  リンク部材
４１  揺動カム
４２  タペット
４３  位相制御用アクチュエータ
４４  リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ
４５  連結ピン
【図１】
2008208794.tif 000003
【図２】
2008208794.tif 000004
【図３】
2008208794.tif 000005
【図４】
2008208794.tif 000006
【図５】
2008208794.tif 000007
【図６】
2008208794.tif 000008
【図７】
2008208794.tif 000009
【図８】
2008208794.tif 000010
【図９】
2008208794.tif 000011
【図１０】
2008208794.tif 000012
【図１１】
2008208794.tif 000013
【図１２】
2008208794.tif 000014