(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前とし、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定しているとともに、前記排気弁閉時期から前記吸気上死点までの前記所定期間を、中速中負荷域は、低速中負荷域に対して大きくすることを特徴とする自動車用４サイクルエンジン。
【請求項２】
排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも一方に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域において中速域では高速域よりも大きくするように運転状態に応じてバルブ開閉タイミングを変更することを特徴とする請求項１記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項３】
少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、上記排気弁閉時期をエンジンの全開域では吸気上死点以後に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項４】
上記排気弁閉時期が吸気上死点より所定期間前とされる運転領域からエンジン負荷が全開域に近づくにつれて、上記排気弁閉時期を徐々に遅らせるようにしたことを特徴とする請求項３記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項５】
排気弁及び吸気弁に対してそれぞれバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、エンジンの高速域における全開域では上記排気弁閉時期及び上記吸気弁開時期をともに吸気上死点以後に設定したことを特徴とする請求項３または４記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項６】
少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前とし、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定しており、
更に、過給機を備えるとともに、エンジンの中・高速域における全開域では少なくとも上記排気弁閉時期を吸気上死点より前に設定したことを特徴とする自動車用４サイクルエンジン。
【請求項７】
燃焼室内の混合気の空燃比をコントロールする手段を備え、エンジンの中・高速域における全開域で上記空燃比を理論空燃比以上の値としたことを特徴とする請求項６記載の自動車用４サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に既燃ガスを残留させることによる所謂内部ＥＧＲを積極的に利用するようにした自動車用４サイクルエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特開平５−８６９８８号公報に示されるように、エンジンの排気系と吸気系との間に外部ＥＧＲ通路を接続し、この外部ＥＧＲ通路を通して排気ガスの還流（ＥＧＲ）を行うことによりＮＯｘの低減を図ることは一般に知られている。特に上記公報に示される装置では、ＥＧＲクーラーを備えた外部ＥＧＲ通路を通って冷やされたＥＧＲガスを燃焼室に導入するようにし、かつ、高負荷側の領域でＥＧＲ率を増大させることにより、ＮＯｘの低減に加え、高負荷側の領域で燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制することができるようにしている。このような燃焼温度及び排気温度の上昇抑制は、燃焼効率の向上、ノッキング抑制、排気浄化用の触媒の信頼性向上等に有利となる。
【０００３】
また、外部ＥＧＲ通路によって排気ガスの還流を行うものに替えて、積極的に燃焼室内に既燃ガスを残留させることによる所謂内部ＥＧＲを利用する手法も知られており、この手法としては吸気弁と排気弁の開弁期間のオーバラップを大きくするものが一般的である。つまり、吸気弁や排気弁の開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を用い、内部ＥＧＲを必要とする領域では上記オーバラップを大きくすることによりそのオーバラップ期間中の排気の吹き返し等で残存既燃ガス量を増加されるようにしている。
【０００４】
なお、運転状態に応じて吸気弁や排気弁の開閉タイミングを調節するものとしては、特開平１０−２６６８７８号公報に示されるように、エンジンの低負荷側の特定運転領域内で、残留既燃ガスを利用して燃焼室内で多点的に自己着火を生じさせるとともにポンピングロスを低減するため、排気弁を吸気上死点前に閉弁させ、かつ、吸気弁を吸気上死点後に開弁させるとともに、要求負荷が低くなるにつれて排気弁の閉弁時期を早め、かつ、吸気弁の開弁時期を遅らせるようにした装置が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術のうち、特開平５−８６９８８号公報に示されたものでは、エンジンの吸気系、排気系等に対してさらに外部ＥＧＲ通路、ＥＧＲバルブ、ＥＧＲクーラー等を装備する必要がある。また、このように外部ＥＧＲを行うものでは、スロットル弁下流の吸気通路にＥＧＲガスが吸入されて、このＥＧＲガスが各気筒の吸入期間中に燃焼室に流入するが、高速域における高負荷側の領域では、スロットル弁下流の吸気通路の負圧が小さくなるとともに各気筒の吸入期間が時間的に短くなるため、ＥＧＲ量を充分に確保することが難しくなる。さらに、外部からのＥＧＲによると吸気系にデポジットが生じ易くなるという問題もある。
【０００６】
また、吸気弁と排気弁の開弁期間のオーバラップを大きくすることにより内部ＥＧＲを行う手法によると、外部ＥＧＲ通路等を省略することができるが、残留既燃ガスの温度が高いため、高負荷側の領域で燃焼温度及び排気温度の上昇抑制を図ることが難しい。しかも、オーバラップ期間が一定であるとエンジン回転数の上昇につれて有効開弁期間が減少することにより実質的にオーバラップが小さくなって内部ＥＧＲが得られにくくなるため、高速域まで充分に内部ＥＧＲを確保するためには高速域でオーバラップを著しく拡大する必要があり、バルブ開閉タイミングの可変範囲を大きくしなければならないためバルブタイミング可変装置の構造が複雑になる。さらに、上記オーバラップが大きいと、吸気上死点で吸気弁及び排気弁が比較的大きく開いた状態となるので、これらとの干渉を避けるためピストン頂面に深いリセスを設ける必要があり、これが燃焼に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
また、特開平１０−２６６８７８号公報に示された発明は、燃焼室内に供給される混合気中の燃料を高温の既燃ガスで分解、ラジカル化して自己着火を生じさせようとするものであり、高負荷側の領域で燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制するというようなことは期待していない。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑み、中・高速の高負荷側の領域まで内部ＥＧＲによって充分にＥＧＲ効果を持たせることができ、かつ、燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制することができる自動車用４サイクルエンジンを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前とし、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定しているとともに、前記排気弁閉時期から前記吸気上死点までの前記所定期間を、中速中負荷域は、低速中負荷域に対して大きくするものである。
【００１０】
この発明によると、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁が吸気上死点より所定期間前に閉じられることにより燃焼室内に既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られる。そして、吸気弁は吸気上死点以後に開かれるため、排気弁が閉じてから上死点まで燃焼室内の圧力が上昇し、それに伴い燃焼室内の温度が上昇している期間に充分に放熱が行われてから、吸気上死点後の圧力低下に伴い温度が低下する。これにより燃焼室内の既燃ガスが冷却され、低温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制する作用が得られる。
【００１１】
この発明のエンジンにおいて、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも一方に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域において中速域では高速域よりも大きくするように運転状態に応じてバルブ開閉タイミングを変更することが好ましい。
【００１２】
このようにすると、吸気弁及び排気弁の有効開弁期間が高速側程減少することの影響が、上記のようにバルブタイミングを変更することで調整されて、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域において中速域から高速域にわたり、同程度に内部ＥＧＲ効果が得られる。
【００１３】
また、少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、上記排気弁閉時期をエンジンの全開域では吸気上死点以後に設定することが好ましい。このようにすると、エンジンの全開域では内部ＥＧＲが低減されて新気の充填量が増大されることにより出力が確保される。
【００１４】
この場合、上記排気弁閉時期が吸気上死点より所定期間前とされる運転領域からエンジン負荷が全開域に近づくにつれて、上記排気弁閉時期を徐々に遅らせるようにすれば、滑らかに出力が高められる。
【００１５】
さらに、排気弁及び吸気弁に対してそれぞれバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、エンジンの高速域における全開域では上記排気弁閉時期及び上記吸気弁開時期をともに吸気上死点以後に設定しておけば、開弁期間が比較的小さい吸気弁において高速全開域での新気充填量の確保に有利となる。
【００１６】
また、本発明は、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前とし、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定しており、更に、過給機を備えるとともに、エンジンの中・高速域における全開域では少なくとも上記排気弁閉時期を吸気上死点より前に設定したものである。
【００１７】
この発明によると、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁が吸気上死点より所定期間前に閉じられることにより燃焼室内に既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られる。そして、吸気弁は吸気上死点以後に開かれるため、排気弁が閉じてから上死点まで燃焼室内の圧力が上昇し、それに伴い燃焼室内の温度が上昇している期間に充分に放熱が行われてから、吸気上死点後の圧力低下に伴い温度が低下する。これにより燃焼室内の既燃ガスが冷却され、低温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制する作用が得られる。更に、過給機を備えるとともに、エンジンの中・高速域における全開域では少なくとも上記排気弁閉時期を吸気上死点より前に設定するので、中・高速域における全開域でも内部ＥＧＲが行われるとともに燃焼温度及び排気温度の上昇が抑制され、かつ、このように内部ＥＧＲが行われながらも過給により新気充填量が確保される。とくに、燃焼温度の上昇抑制により耐ノック性が高められることから、従来ではノッキングのために制約されていた過給による出力アップが有効に図られる。
【００１８】
さらにこの場合に、燃焼室内の混合気の空燃比をコントロールする手段を備え、エンジンの中・高速域における全開域では上記空燃比を理論空燃比以上の値とすることが好ましい。すなわち、上述のようにエンジンの中・高速域における全開域では少なくとも排気弁閉時期を吸気上死点より前に設定することで耐ノック性が高められることから、ノッキング抑制のための空燃比のエンリッチ化が不要となるので、過給により新気の充填量を確保しつつ空燃比を理論空燃比以上にリーン化することにより出力性能及び燃費性能の向上が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は本発明が適用される自動車用４サイクルエンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、１はエンジン本体であり、複数の気筒を有し、その各気筒２には、シリンダボアに挿入されたピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。この燃焼室５には吸気ポート７及び排気ポート８が開口し、これらのポート７，８は吸気弁９及び排気弁１０によって開閉されるようになっている。
【００２１】
上記吸気弁９及び排気弁１０はカムシャフト１１，１２等からなる動弁機構により開閉作動されるようになっている。また、吸気弁９に対する動弁機構及び排気弁１０に対する動弁機構には、それぞれ、バルブ開閉タイミングを変更可能にするバルブタイミング可変装置１３，１４が設けられている。このバルブタイミング可変装置１３，１４は、クランクシャフトに連動するカムプーリとカムシャフトとの間に設けられて、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変更することにより、開弁期間は一定としつつ開時期及び閉時期を変更することができるようになっている。このようなバルブタイミング可変装置１３，１４は従来から種々知られているため、具体的な構造の図示及び説明は省略する。
【００２２】
上記燃焼室５の中央部には点火プラグ１６が配設され、そのプラグ先端が燃焼室に臨んでいる。さらに燃焼室５には、側方からインジェクタ１８の先端部が臨み、このインジェクタ１８から燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。
【００２３】
上記エンジン本体１には吸気通路２０及び排気通路３０が接続されている。上記吸気通路２０には、その上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフローセンサ２２、スロットル弁２３及びサージタンク２４が設けられている。上記スロットル弁２３は、図外のアクセルペダルに機械的に連結され、アクセルペダル踏込み量に応じた開度に開かれるようになっている。このスロットル弁２３に対し、その開度を検出するスロットル開度センサ２５が設けられている。
【００２４】
上記排気通路３０には、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって空燃比を検出するＯ2センサ３１が設けられるとともに、その下流に排気ガス浄化用の触媒３２が設けられている。この触媒３２は、三元触媒により構成してもよいが、空燃比をリーンにして成層運転を行う場合の浄化性能を高めるため、空燃比が理論空燃比よりもリーンな条件下にある場合でもＮＯｘを効果的に浄化することができる触媒を用いることが望ましい。当実施形態では、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が低下したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっているリーンＮＯｘ触媒が用いられている。
【００２５】
４０はエンジン制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）である。このＥＣＵ４０には、上記エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５及びＯ2センサ３１からの信号が入力されるとともに、クランク角センサ３５からエンジン回転数検出等のためのクランク角信号が入力され、さらにエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３６等からの信号も入力されている。
【００２６】
また、ＥＣＵ４０から、上記インジェクタ１８に対して燃料噴射を制御する信号が出力されるとともに、バルブタイミング可変装置１３，１４に対してこれを制御する信号が出力されている。
【００２７】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、バルブタイミング制御手段４２及び燃料噴射制御手段４３を含んでいる。運転状態判別手段４１は、クランク角センサ３５からのクランク角信号の周期の計測等によって検出されるエンジン回転数と、エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５等からの信号によって調べられるエンジン負荷とに基づき、エンジンの運転状態を判別するようになっている。
【００２８】
バルブタイミング制御手段４２は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じ、バルブタイミング可変装置１３，１４を制御することにより、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミングを後に詳述するように設定、変更するようになっている。
【００２９】
また、燃料噴射制御手段４３は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じてインジェクタ１８からの燃料噴射量及び噴射時期を制御する。例えばエンジンの低負荷側の所定領域（後述の図４における領域Ｂもしくはこの領域Ｂを含む低負荷から中負荷にかけての低・中速域）では、空燃比を理論空燃比よりもリーンとするとともに、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより点火プラグ１６まわりに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。一方、上記所定領域以外の領域では、空燃比を理論空燃比もしくはこれに近い値とするとともに、吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を拡散させて均一燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００３０】
図２は吸・排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表しており、ＩｎＶは吸気弁、ＥｘＶは排気弁を意味する。また、ＩｎＯ及びＩｎＣは吸気弁の開時期及び閉時期、ＥｘＯ及びＥｘＣは排気弁の開時期及び閉時期である。ここで、吸気弁及び排気弁の開時期ＩｎＯ，ＥｘＯは、カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義し、吸気弁及び排気弁の閉時期ＩｎＣ，ＥｘＣは、カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義することとする（図３参照）。
【００３１】
図２において、排気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに実線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに破線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後となり、吸気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに破線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに実線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後となる。従って、破線で示すような排気弁が遅角、吸気弁が進角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがあるが、実線で示すような排気弁が進角、吸気弁が遅角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがない。このようなオーバラップがない状態での排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間を、実施形態の説明の中では便宜的にマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）と呼ぶ。
【００３２】
次に、運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方を、図４および図５を参照しつつ説明する。なお、以下の説明の中で吸気弁、排気弁の開閉タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクランク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。
【００３３】
エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域（中負荷域及び高負荷域のうちで全開及びその近傍の領域を除く領域）における中・高速域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とされるとともに吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後とされることにより、マイナスＯ／Ｌが生じるように設定される。そして、この中負荷乃至高負荷側の領域うちの中速域では高速域よりもマイナスＯ／Ｌが大きくされる。
【００３４】
すなわち、図４において、エンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域（領域Ａ）でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされる。具体的には、中速中負荷（上記領域Ａ内）では図５（ｂ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも２０°以上前、好ましくはＢＴＤＣ３０〜４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３５〜４５°に設定される。なお、中速中負荷域において吸気弁の閉時期ＩｎＣは吸気下死点後８０°程度、排気弁の開時期は排気下死点前８０°程度とされる。そして、当実施形態において用いられているバルブタイミング可変装置によると、吸気弁及び排気弁の開弁期間は一定に保たれつつ、吸気弁開時期の変化に伴って吸気弁閉時期も変化し、また排気弁閉時期の変化に対応して排気弁開時期も変化する。
【００３５】
領域Ａより高速側の領域である高速中負荷域では、図５（ｃ）に示すように、マイナスＯ／Ｌを有するがその期間が中速中負荷域より小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。
【００３６】
また、領域Ａから全開域に近づくと、それにつれて排気弁が徐々に遅角され、かつ、吸気弁が徐々に進角されることにより、マイナスＯ／Ｌが徐々に小さくされ、あるいはさらに正のオーバラップが生じる状態に至る。そして、中速全開域では、図５（ｅ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、例えばＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。また、高速高負荷域では、図５（ｆ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０〜１５°に設定される。
【００３７】
なお、低速域でのバルブ開閉タイミングは本発明で限定しないが、図示の例によると、低速中負荷域では図５（ａ）のように、中速中負荷域よりマイナスＯ／Ｌが小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。低速全開域では図５（ｄ）のように、中速全開域と略同じで排気弁閉時期ＥｘＣがＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。
【００３８】
また、図４中に一点鎖線で囲った低負荷領域Ｂでは、図６に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより５°以上前、好ましくはＢＴＤＣ５〜１５°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後であって、吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間θInが排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの期間θExよりも長くなる時期、好ましくは［θIn−θEx］≧５°となる時期に設定され、例えばＡＴＤＣ１０〜２０°程度に設定される。なお、この領域Ｂでの排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間は２０°以上であることが好ましい。
【００３９】
以上のような当実施形態のエンジンによると、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域では、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間（２０°以上）前とするとともに、吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後としていることにより、比較的多量の内部ＥＧＲが行われて充分にＮＯｘが低減されるとともに、その内部ＥＧＲによる燃焼室内の既燃ガスが充分に冷却されて熱効率の向上による燃費改善及び排気温度上昇抑制の効果が得られ、さらにポンピングロス低減、ノッキング抑制等の効果も得られる。
【００４０】
すなわち、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前としておけば、燃焼室５内に排気ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られ、これによりＮＯｘが低減される。
【００４１】
また、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とするとともに吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後とした場合の排気行程後期から吸気行程前記にかけての圧力変化は図７のようになり、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣになるまで間に燃焼室内圧力が上昇し、吸気上死点ＴＤＣを過ぎてから燃焼室圧力が低下する。そして、圧力上昇に伴って温度が上昇し、圧力低下に伴って温度が低下するが、圧力上昇により燃焼室内温度が高められる期間には、燃焼室を構成する周囲の壁（ウォータジャケットが内蔵されて比較的温度が低いシリンダヘッドないしシリンダ壁）との温度差が大きくなることにより、この周囲の壁への放熱量が増大する。従って、排気弁が閉じた時点で燃焼室内に残留する既燃ガスの温度が高くても、排気弁が閉じてからの圧力が高い期間に充分に放熱が行われた上で、その後の圧力低下に伴い温度が低下する。こうして、既燃ガスを冷却する作用が得られ、これにより、外部から冷却されたＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度及び排気温度が低下する。
【００４２】
この場合、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまで燃焼室内圧力を上昇させるために吸気弁開時期ＩｎＯは少なくとも吸気上死点ＴＤＣ後であることが必要である。さらに、吸気上死点ＴＤＣ後でも比較的早い時期に吸気弁が開くとその時点で燃焼室内圧力が吸気圧力まで急減して放熱効果が損なわれるのに対し、吸気弁開時期を遅くすれば放熱の期間を稼ぎ得るので、例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間が排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの期間以上となる程度にまで吸気弁開時期を遅くすることにより、燃焼温度及び排気温度の低下に寄与する。なお、このように吸気弁開時期を遅くすることで後に詳述するようなポンピングロス低減作用も得られる。
【００４３】
そして、燃焼温度の低下により、熱効率が向上され、これとポンピングロス低減作用とで燃費が改善されるとともに、排気温度の低下により、触媒の温度上昇が抑制されて触媒の信頼性、耐久性が向上される。さらに、燃焼温度の低下は、高負荷側の領域でノッキング抑制の効果も発揮する。
【００４４】
また、このようにマイナスＯ／Ｌによって内部ＥＧＲを得るようにすれば、吸気上死点で吸気弁及び排気弁が閉じているので、従来の正のオーバラップによって内部ＥＧＲを得る場合のようにピストン頂面に深いリセスを設ける必要がない。
【００４５】
さらに、このようなマイナスＯ／Ｌによると、エンジン回転速度が高くなるにつれ、吸気弁及び排気弁の有効開弁期間が減少することが実質的にマイナスＯ／Ｌを大きくするのと同等に作用するので、高速域では中速域と比べてマイナスＯ／Ｌを小さくしても内部ＥＧＲの確保及び燃焼温度、排気温度の低減等の効果が充分に得られる。従って、例えば中速中負荷では図５（ｂ）に示すように排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ３０〜４０°程度、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ３５〜４５°程度に設定されてマイナスＯ／Ｌが大きくされるのに対し、高速中負荷では図５（ｃ）に示すように排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°程度、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°程度に設定されてマイナスＯ／Ｌが中速中負荷よりも小さくされることにより、内部ＥＧＲ量が過剰になることが避けられ、上記のような効果が得られつつ出力が確保される。
【００４６】
また、エンジンの全開域では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも多少遅いＡＴＤＣ１０°程度とされることにより、内部ＥＧＲが極力少なくされて全開トルクが確保される。
【００４７】
この場合、吸気弁開時期ＩｎＯはエンジンの全開域で中負荷域と比べて早められ、中速全開域では上死点前（ＢＴＤＣ１０〜１５°程度）とされるが、高速全開域では吸気上死点後（ＡＴＤＣ１０〜１５°程度）とされることにより全開性能が確保される。すなわち、バルブタイミング可変装置が当実施形態のように開弁期間一定で開閉タイミングを変えるようなタイプのものである場合に、低速域で燃焼安定性確保のためオーバーラップを小さくするとともに吸気の吹き返しを生じないようにするには吸気弁の開弁期間を比較的小さく（例えば２２０°程度に）設定しておくことが望ましく、一方、無効角及び吸気流入遅れが大きくなる高速域では吸気の吹き返しを生じない範囲で吸気弁閉時期を遅くすることが吸入効率向上のために望ましいが、上記のように吸気弁の開弁期間を比較的小さくした場合に、高速域では、吸気弁開時期を吸気上死点前に設定すると吸気弁閉時期が吸入効率向上のために要求される時期よりも早すぎて、吸入効率の低下を招く。
【００４８】
そこで、高速全開域では、排気弁の閉時期及び吸気弁の開時期をともに吸気上死点後とすることにより、内部ＥＧＲ量を少なくするとともに、吸入効率を高め、これらの作用で高速全開トルクを確保するようにしている。なお、吸気弁の開弁期間を比較的大きくした場合には、高速全開域で吸気弁開時期を吸気上死点前に設定してもよい。
【００４９】
また、低負荷領域Ｂでは、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣ前の適当な時期、例えばＢＴＤＣ５〜１５°程度とすることにより、燃焼安定性を損なわない適度の内部ＥＧＲ量が得られるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後で、吸気上死点から吸気弁開時期までの期間θInが排気弁閉時期から吸気上死点までの期間θExよりも５°程度以上大きくなる時期としているため、充分にポンピングロス低減効果が得られる。
【００５０】
ここで、図７を参照しつつポンピングロス低減効果について説明する。吸気上死点ＴＤＣ前に排気弁が閉じると、燃焼室内圧力が排気圧力に対応するレベルから一端上昇して、吸気上死点ＴＤＣを過ぎると下降し、さらに吸気弁が開かれると吸気圧力に対応するレベルまで下降するが、この過程で、吸気上死点ＴＤＣに達するまでの間の圧力と吸気上死点ＴＤＣを過ぎてからの圧力の格差分がポンピングロスとなる。そして、吸気上死点ＴＤＣ後において比較的早い時期に吸気弁が開かれる場合（例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期までの期間が排気弁閉時期から吸気上死点ＴＤＣまでの期間と同じかそれより短い場合）に、吸気弁が開かれた時点で燃焼室内圧力が吸気圧力まで急減して上記格差が増大することによりポンピングロスが増大するのに対し、吸気弁開時期を遅らせば、燃焼室内圧力が吸気圧力まで低下する時期が遅れることにより、図７中にハッチングで示す分だけ、ポンピングロスの増大が抑制されることとなる。
【００５１】
なお、低速全開域では、中速全開域と略同様に吸気弁及び排気弁の開閉タイミングが設定されている。また、低速中負荷域では、燃焼安定性確保のため中速中負荷域と比べて内部ＥＧＲを少なくすべく、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣに近づけて、マイナスＯ／Ｌを小さくしている。ただし、排気弁閉時期ＥｘＣ及びマイナスＯ／Ｌを変えなくても、エンジン回転数が低くなるにつれて無効角が小さくなることにより、実質的にマイナスＯ／Ｌが小さくなって内部ＥＧＲが減少するので、低速中負荷域における排気弁閉時期ＥｘＣ及びマイナスＯ／Ｌは中速中負荷域と同程度としておくことも考えられる。
【００５２】
図８は本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、図１に示す第１の実施形態と同様の構造に加え、ターボ過給機５０を装備している。このターボ過給機５０は、吸気通路２０に設けたコンプレッサ５１と、排気通路３０に設けたタービン５２と、両者を連結する軸体５３とからなり、排気ガス流によりタービン５２が回転し、それに連動してコンプレッサ５１が回転することにより吸気を過給するようになっている。なお、５５は吸気通路２０におけるコンプレッサ５１の下流に設けられたインタークーラである。また、５６は排気通路３０におけるタービン５２をバイパスするウエストゲート通路、５７はこの通路５６に設けられたウエストゲートバルブである。
【００５３】
そして、このように過給機５０を備える場合、中負荷（乃至高負荷側）の領域や低負荷域における吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの制御は第１の実施形態と同様であって（図５（ａ）〜（ｃ）及び図６参照）、中・高速の中負荷では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされるが、さらに中速及び高速の全開域でも、図９（ａ）及び同（ｂ）のように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされる。例えば、中速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１５〜２０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２０〜２５°に設定され、高速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１０〜１５°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ１５〜２０°に設定される。
【００５４】
また、燃料噴射制御手段４３による制御としては、エンジンの低速域や低・中負荷域だけでなく中・高速域における全開域でも上記空燃比が理論空燃比以上（空気過剰率λがλ≧１）となるように、燃料噴射量が制御される。
【００５５】
この実施形態によると、中速及び高速の全開域でも、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされることにより、内部ＥＧＲが得られてＮＯｘが低減され、かつ、その内部ＥＧＲによる既燃ガスが冷却されて燃焼温度及び排気温度の上昇が抑制され、燃費が改善されるとともに、ノッキングが抑制される。
【００５６】
しかも、内部ＥＧＲによる出力低下分が過給により補われ、全開トルクが確保される。
【００５７】
とくに、従来では全開域やそれに近い領域ではノッキング防止等のためウエストゲートバルブを通して排気エネルギーを逃がすことで過給圧上昇を抑制していたが、当実施形態ではウエストゲートバルブ５７の開度を小さくし、従来では捨てていた排気エネルギーを利用して過給圧を高めることにより、有効に全開トルクを確保することができる。さらに、上記のようにマイナスＯ／Ｌとすることによりノッキングを抑制する作用が得られるため、内部ＥＧＲによる出力低下分を補う程度以上に過給圧を高めることも可能となり、全開トルクを高めることができる。
【００５８】
また、上記のように全開域でもマイナスＯ／Ｌとすることでノッキング抑制作用が得られるため、ノッキング抑制のための空燃比のエンリッチ化を行う必要がなく、全開域での空燃比は理論空燃比以上（λ≧１）とし、例えば理論空燃比とすればよい。従って、全開域ではマイナスＯ／Ｌによりノッキングが抑制される状況下で、過給により新気の充填量が確保されつつ、理論空燃比となるように新気量に応じて燃料噴射量が制御されることにより、出力性能及び燃費性能が向上される。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンジンによると、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁が吸気上死点より所定期間前に閉じられるとともに吸気弁が吸気上死点後に開かれることにより、燃焼室内に既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られ、かつ、排気弁の閉弁から吸気弁の開弁までの期間に充分に放熱が行われて残存既燃ガスが冷却されることにより燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制する作用が得られる。このため、内部ＥＧＲによってＮＯｘを低減するとともに、燃焼温度を低くすることにより燃焼効率を高めて燃費を改善することができ、かつ、排気温度の上昇抑制により排気系の信頼性、耐久性を高めることができる。さらに、ノッキング抑制、ポンピングロス低減等の効果も奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図２】吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表した図である。
【図３】カムリフト曲線の部分拡大図である。
【図４】運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方をマップ的に示す説明図である。
【図５】低速中負荷、中速中負荷、高速中負荷、低速全開、中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図６】低負荷域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図７】排気行程後期から吸気行程前期にかけての燃焼室容積及び燃焼室内圧力の変化を示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図９】図８の実施形態による場合の中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
５  燃焼室
９  吸気弁
１０  排気弁
１３，１４  バルブタイミング可変装置
４０  ＥＣＵ
４２  バルブタイミング制御手段
【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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