(57)【要約】【課題】  所定の運転領域で内部ＥＧＲを行う開弁特性可変型内燃機関において、構成の複雑化や製造コストの増大を抑制する技術を提供する。【解決手段】  排気閉弁角Ａｅが中リフトカム２２ｂによる第２吸気開弁角Ａｉ２を超えているか否かを判定し、この判定がＮｏであれば、ステップＳ４で低リフトカム２２ａを選択する。ステップＳ３の判定がＹｅｓであった場合、ＥＣＵ９は、ステップＳ６で、排気閉弁角Ａｅが高リフトカム２２ｃによる第３吸気開弁角Ａｉ３を超えているか否かを判定し、この判定がＮｏであれば、ステップＳ７で中リフトカム２２ｂを選択する。ステップＳ６の判定もＹｅｓであった場合、ＥＣＵ９は、ステップＳ８で高リフトカム２２ｃを選択する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブを開閉駆動する吸気側動弁機構と、排気バルブを開閉駆動する排気側動弁機構と、前記排気バルブの開弁時期を可変制御する排気側開弁特性制御手段とを備え、所定の運転領域において、排気上死点を含む所定のクランク角度域で前記吸気バルブと前記排気バルブとをともに閉鎖する開弁特性可変型内燃機関において、
前記運転領域において、前記排気バルブの閉弁時点から排気上死点までのクランク角に対し、排気上死点から前記吸気バルブの開弁時点までのクランク角を−１０°〜２０°の角度範囲に設定したことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
【請求項２】
前記吸気バルブの開弁時期を段階的に可変制御する吸気側開弁特性制御手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の運転領域で内部ＥＧＲが行われる開弁特性可変型内燃機関に係り、詳しくは、構成の複雑化や製造コストの増大を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱効率の向上や有害排出ガス成分の減少等を図るべく、予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition：以下、ＨＣＣＩと記す）モードでの運転を行うエンジンの開発が進められている（特許文献１参照）。ＨＣＣＩモードは、燃料と空気とを均一に混合した予混合気を燃焼室に導入した後、ピストンにより圧縮することで高温・高圧にして多点同時的に予混合気を自己着火させる燃焼モードであるが、着火時期の制御が難しいことから、この種のエンジンでは、運転状況に応じてＨＣＣＩモードと火花点火（Spark Ignition: 以下、ＳＩと記す）モードとが適宜切り換えられる。ＨＣＣＩモードでの運転では、着火に至るまではピストンに圧縮されることによってのみ混合気の温度が上昇するため、着火時期の制御には圧縮開始時の筒内ガス温度が重要なファクターとなる。
【０００３】
そこで、ＨＣＣＩモードでエンジンを運転させる際には、圧縮開始時の筒内ガス温度を高めるべく、排気上死点に至る前に排気バルブを閉鎖し、内部ＥＧＲ（Exhaust gas recirculation：排気ガス再循環）を行わせることが一般的である。そこで、特許文献１のエンジンでは、吸気側と排気側とにそれぞれ可変動弁機構を設け、ＨＣＣＩモードにおいて、排気上死点を含むクランク角度域で吸気バルブと排気バルブとを共に閉鎖する状態（以下、負のオーバラップと記す）を設ける方法が採られている。なお、特許文献１では、内部ＥＧＲガスを増大させて着火性の向上を図るべく、低負荷側ほど負のオーバラップ期間を長くしている。また、負のオーバラップ期間におけるポンピングロスを減少させるべく、排気バルブの閉弁時点から排気上死点までのクランク角（以下、排気閉弁角と記す）と、排気上死点から吸気バルブの開弁時点までのクランク角（以下、吸気開弁角と記す）とを等しく設定している。
【特許文献１】特開２００３−３８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＣＣＩモードでの運転を行う場合、排気側に連続可変型の動弁機構を採用し、機関負荷等に応じて内部ＥＧＲガスの量を高精度かつ連続的に制御することが望ましい。ところが、排気側に連続可変型の動弁機構を採用した場合、排気閉弁角と吸気開弁角とを等しくするためには、吸気側にも連続可変型の動弁機構を採用しなければならず、エンジンの構造が複雑になることや構成部品点数が多くなることが避けられなかった。
【０００５】
そこで、本発明者等は、排気閉弁角と吸気開弁角とが等しい場合にポンピングロスが最も少なくなるか否かを確認すべく、排気閉弁角に対して吸気開弁角を変化させながらエンジンを運転し、ポンピングロスがどのように変動するか試験した。その結果、吸気開弁角が排気閉弁角に対してある程度小さい場合にポンピングロスが最も少なくなり、かつ、ポンピングロスが最も少なくなる吸気開弁角の付近では、吸気開弁角を多少増減させてもポンピングロスが殆ど変化しないことが判明した。
【０００６】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、所定の運転領域で内部ＥＧＲを行う開弁特性可変型内燃機関において、構成の複雑化や製造コストの増大を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、吸気バルブを開閉駆動する吸気側動弁機構と、排気バルブを開閉駆動する排気側動弁機構と、前記排気バルブの開弁時期を可変制御する排気側開弁特性制御手段とを備え、所定の運転領域において、排気上死点を含む所定のクランク角度域で前記吸気バルブと前記排気バルブとをともに閉鎖する開弁特性可変型内燃機関において、前記運転領域において、前記排気バルブの閉弁時点から排気上死点までのクランク角に対し、排気上死点から前記吸気バルブの開弁時点までのクランク角を−１０°〜２０°の角度範囲に設定したことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記吸気バルブの開弁時期を段階的に可変制御する吸気側開弁特性制御手段を更に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、ポンピングロスを増大させることなく、吸気開弁角と排気閉弁角とを常に等しくする必要が無くなるため、吸気側可変動弁機構の設計自由度等を向上させることができる。また、請求項２の発明によれば、吸気側可変動弁機構の構造が簡易なものとなり、エンジン構成の複雑化や製造コストの増大が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を適用したエンジンシステムの一実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態に係るエンジンシステムの模式的構成図であり、図２は実施形態に係る可変動弁機構の概略構成図である。
【００１１】
＜実施形態の構成＞
図１に示すエンジンシステムは、直列４気筒エンジン（開弁特性可変型内燃機関：以下、エンジンと記す）１を中核に、エアクリーナ２やサージタンク３、吸気マニホールド４等からなる吸気系と、排気マニホールド５や排気管６、排気浄化触媒７、マフラー８等からなる排気系と、エンジン１の運転制御を行うＥＣＵ９とを備えている。なお、ＥＣＵ９は、エンジン１の負荷状態等に基づき、例えば、中低負荷運転領域ではＨＣＣＩモードで運転制御を行い、高負荷運転領域ではＳＩモードでエンジン１を運転制御を行う。
【００１２】
エンジン１のシリンダヘッド１０には、各気筒ごとに、一対の吸気バルブ１１や、一対の排気バルブ１２、筒内噴射用燃料噴射弁１４、点火プラグ１５が設けられている。また、吸気マニホールド４には、各気筒ごとに、吸気管噴射用燃料噴射弁１６が設けられている。
【００１３】
図２に示すように、シリンダヘッド１０の上方には、両吸気バルブ１１のリフトを段階的に切り換える吸気側可変動弁機構２１と、両排気バルブ１２のリフトを連続的に変化させる排気側可変動弁機構３１とが設置されている。なお、図示はしないが、シリンダヘッド１０には、後述する吸排気カムシャフト２２，３２の角度位相を可変制御する２つのＶＴＣ（Variable valve Timing Control）機構も設置されている。
【００１４】
吸気側可変動弁機構２１は、３つのカム（低リフトカム２２ａ、中リフトカム２２ｂ、高リフトカム２２ｃ）を有する吸気カムシャフト２２と、各カム２２ａ〜２２ｃに駆動される３つのロッカアーム２３ａ〜２３ｃと、各ロッカアーム２３ａ〜２３ｃの連結／非連結を切り換えるピン式の切換機構２４と、切換機構２４に油圧を供給する油圧供給路２５ａ，２５ｂとから構成されている。本実施形態の場合、ＥＣＵ９の指令によって油圧制御電磁弁（図示せず）が作動すると、油圧供給路２５ａ，２５ｂを介して切換機構２４に油圧が供給または開放され、各ロッカアーム２３ａ〜２３ｃの連結状態が変化して両吸気バルブ１１のリフトが３段階に切り換わる。
【００１５】
ＨＣＣＩモードでエンジン１が運転制御される場合、低リフトカム２２ａが選択されたときの吸気開弁角（排気上死点から両吸気バルブの開弁時点までのクランク角：第１吸気開弁角Ａｉ１）は、中リフトカム２２ｂが選択されたときの吸気開弁角（第２吸気開弁角Ａｉ２）に較べて所定量（例えば、１８°）小さくなる。また、高リフトカム２２ｃが選択されたときの吸気開弁角（第３吸気開弁角Ａｉ３）は、中リフトカム２２ｂが選択されたときの吸気開弁角（第２吸気開弁角Ａｉ２）に較べて所定量（例えば、１８°）大きくなる。
【００１６】
一方、排気側可変動弁機構３１は、単一のカム３２ａを有する吸気カムシャフト３２と、両排気バルブ１２を押し下げるロッカアーム３３と、先端のローラ３４ａがカム３２ａとロッカアーム３３との間に介装されたローラリンク３４と、ローラリンク３４の基端が連結されたギヤリンク３５と、ギヤリンク３５に噛み合ったドライブギヤ３６と、ドライブギヤ３６を駆動する電動モータ３７とを主要構成要素としている。本実施形態の場合、ＥＣＵ９の指令によって電動モータ３７が作動すると、ドライブギヤ３６を介してギヤリンク３５が回転駆動され、ローラリンク３４の揺動支点が移動して両排気バルブ１２のリフトが連続的に変化する。
【００１７】
＜実施形態の作用＞
エンジンシステムが起動すると、ＥＣＵ９は、各種センサから入力した運転情報に基づき、例えば、中低負荷運転領域ではＨＣＣＩモードとし、高負荷運転領域ではＳＩモードとして運転制御を行う。ＨＣＣＩモードでエンジン１を運転させる場合、ＥＣＵ９は、負のオーバラップが実現されるように、ＶＴＣ機構によって吸排気カムシャフト２２，３２の角度位相を制御しながら、所定の処理インターバル（例えば、１０ｍｓ）をもって、図３のフローチャートにその手順を示すバルブリフト制御を実行する。
【００１８】
バルブリフト制御を開始すると、ＥＣＵ９は、先ず、図３のステップＳ１で、エンジン１の運転状態に基づき目標内部ＥＧＲ量ＱＥｔｇｔを設定し、ステップＳ２で目標内部ＥＧＲ量ＱＥｔｇｔに対応する排気閉弁角（排気バルブの閉弁時点から排気上死点までのクランク角）Ａｅを図示しないマップから検索する。
【００１９】
次に、ＥＣＵ９は、ステップＳ３で、排気閉弁角Ａｅが中リフトカム２２ｂによる第２吸気開弁角Ａｉ２を超えているか否かを判定し、この判定がＮｏであれば、ステップＳ４で低リフトカム２２ａを選択し、ステップＳ５で吸気側可変動弁機構２１および排気側可変動弁機構３１に駆動指令を出力する。
【００２０】
また、ステップＳ３の判定がＹｅｓであった場合、ＥＣＵ９は、ステップＳ６で、排気閉弁角Ａｅが高リフトカム２２ｃによる第３吸気開弁角Ａｉ３を超えているか否かを判定し、この判定がＮｏであれば、ステップＳ７で中リフトカム２２ｂを選択し、ステップＳ５で吸気側可変動弁機構２１および排気側可変動弁機構３１に駆動指令を出力する。
【００２１】
更に、ステップＳ６の判定もＹｅｓであった場合、ＥＣＵ９は、ステップＳ８で高リフトカム２２ｃを選択し、ステップＳ５で吸気側可変動弁機構２１および排気側可変動弁機構３１に駆動指令を出力する。
【００２２】
これにより、図４に示すように、ＨＣＣＩモードでの運転時においては、吸気開弁角Ａｉが排気閉弁角Ａｅに対して０°〜１８°の角度範囲で小さくなる状態で、負のオーバラップが実現される。図５には、一例として、排気閉弁角Ａｅが６５°であるときに、吸気開弁角Ａｉを増減させた際のポンピングロスの変化を示した。同図から判るように、ポンピングロスは、吸気開弁角Ａｉが排気閉弁角Ａｅに対して１０°程度小さいとき（５５°のとき）に最も少なくなり、吸気開弁角Ａｉが排気閉弁角Ａｅに対して−１０°〜２０°の角度範囲（４５°〜７５°：図中にハッチングで示す）ではその変化が殆ど無いことが判る。
【００２３】
以上述べたように、本実施形態では、吸気側可変動弁機構２１として両吸気バルブ１１のリフトを段階的に切り換えるものを採用することで、構成の複雑化や製造コストの増大を抑制しながら、ＨＣＣＩモードでの運転時におけるポンピングロスをごく少なくすることができた。
【００２４】
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、上記実施形態はＨＣＣＩモードとＳＩモードとで運転される内燃機関に本発明を適用したものであるが、ディーゼルエンジン等にも適用可能である。また、上記実施形態では吸気側可変動弁機構として３段階に切り換えられるものを採用したが、２段階に切り換えられるものや、４段階以上に切り換えられるもの等を採用してもよい。また、排気側可変動弁機構についても、上記実施形態に限られるものではなく、種々の構造を備えたものが採用可能である。また、上記実施形態では吸気開弁角を排気閉弁角に対して０°〜１８°の角度範囲で小さくするよう設定したが、−１０°〜２０°の角度範囲内であれば任意に設定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図である。
【図２】実施形態に係る可変動弁機構の概略構成図である。
【図３】バルブリフト制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】ＨＣＣＩモードにおける吸気開弁角と排気閉弁角との関係を示すグラフである。
【図５】吸気開弁角を増減させた際のポンピングロスの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１      エンジン（開弁特性可変型内燃機関）
１１    吸気バルブ
１２    排気バルブ
２１    吸気側可変動弁機構（吸気側動弁機構，吸気側開弁特性制御手段）
２２    吸気カムシャフト
３１    排気側可変動弁機構（排気側動弁機構，排気側開弁特性制御手段）
３２    吸気カムシャフト
【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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