(57)【要約】【課題】運転条件によって、過給による性能向上が不十分となることを抑制すること。【解決手段】内燃機関１０は、シリンダ１１内をピストン１３が１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する。内燃機関１０は、第１排気ポート２０ｌと、第１排気ポート２０ｌよりも通路断面積が大きい第２排気ポート２０ｈとから燃焼空間１４内の排ガスを排出する。第１排気弁２１は、第１排気ポート２０ｌの燃焼空間１４への開口部を開閉し、第２排気弁２２は、第２排気ポート２０ｈの燃焼空間１４への開口部を開閉する。第１排気ポート２０ｌからは第１過給機３１へ排ガスＥｘが供給され、第２排気ポート２０ｈからは第２過給機３２へ排ガスＥｘが供給される。第１排気弁２１は第１動弁機構２１ａにより、第２排気弁２２は第２動弁機構２２ａによって、それぞれ独立に動作が制御される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内をピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関において、
前記シリンダの頂部に開口して前記シリンダ内の燃焼空間から排ガスを排出する第１の排気ポートと、
前記シリンダの頂部に開口して前記燃焼空間から排ガスを排出するとともに前記第１の排気ポートよりも大きい通路断面積を有する第２の排気ポートと、
前記シリンダの側部に開口し、少なくとも空気を前記燃焼空間へ導入する吸気ポートと、
前記吸気ポートの開口部よりも前記空気の流れの上流側に設けられる吸気ポートの通路断面積を変更する気流制御弁と、
前記ピストンの頂面に前記シリンダの頂部に向かって突出して設けられ、前記吸気ポートの開口部から前記燃焼空間の内部へ導入される前記空気の流れを前記シリンダの頂部へ偏向させる気流変更部と、
前記第１の排気ポートの開口部を開閉する第１の排気弁、及び前記第２の排気ポートの開口部を開閉する第２の排気弁と、
前記第１の排気弁の作動と非作動とを制御する第１の排気弁制御手段、及び前記第２の排気弁の作動と非作動とを制御する第２の排気弁制御手段と、
前記第１の排気ポートに接続されて前記第１の排気ポートを通過する排ガス及び電動機によって駆動されることで前記燃焼空間へ前記空気を供給する第１の過給機と、
前記第２の排気ポートに接続されて前記第２の排気ポートを通過する排ガスによって駆動されることで前記燃焼空間へ前記空気を供給し、かつ前記空気の供給能力が前記第１の過給機よりも大きい第２の過給機と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１の排気ポート及び前記第２の排気ポートは、前記シリンダの頂部にそれぞれ複数開口するとともに、前記第２の排気ポートの開口数は前記第１の排気ポートの開口数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記第２の排気ポートの開口部における前記第２の排気弁の直径は、前記第１の排気ポートの開口部における前記第１の排気弁の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記吸気ポートの内部の前記空気へ燃料を供給するポート内燃料供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃焼空間内の前記空気へ燃料を供給する筒内燃料供給手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記内燃機関の始動時においては、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、
前記電動機により前記第１の過給機を駆動して前記空気を前記燃焼空間へ供給するとともに、前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給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７】
前記内燃機関の暖機時においては、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、
前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給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】
前記内燃機関の機関回転数が低回転である場合、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、
前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給し、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁が閉じる時期を変更することにより、前記吸気ポートから前記燃焼空間へ流入する前記空気の量を調整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９】
前記第１の排気弁制御手段は、前記第１の排気弁のリフト量を変更でき、
前記第１の排気弁制御手段は、前記内燃機関の負荷が増加するにしたがって、前記第１の排気弁のリフト量を増加させ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】
前記第１の排気弁制御手段は、前記第１の排気弁のリフト量を変更でき、
前記内燃機関の加速時には、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第１の排気弁のリフト量を前記内燃機関の加速前よりも大きくし、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、
前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給し、
前記電動機によって前記第１の過給機を駆動して前記空気を前記燃焼空間へ供給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１１】
前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、
前記内燃機関の機関回転数が低回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁リフト量を前記内燃機関の加速時よりも小さい状態で作動させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁リフト量を前記第１の排気弁リフト量よりも小さい状態で作動させ、
前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給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１２】
前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、
前記内燃機関の機関回転数が中回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁リフト量を前記内燃機関の機関回転数が低回転かつ前記内燃機関の負荷が高負荷である場合よりも小さい状態で作動させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁リフト量を前記第１の排気弁リフト量よりも大きい状態で作動させ、
前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給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１３】
前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、
前記内燃機関の機関回転数が高回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、
前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁の作動を停止させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が、前記内燃機関の機関回転数が中回転かつ前記内燃機関の負荷が高負荷である場合よりも大きい状態で作動させ、
前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給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１４】
前記内燃機関がアイドリング状態である場合、又は前記内燃機関が低回転かつ低負荷で運転されている場合、
前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させるとともに、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させ、かつ前記吸気ポートの開口部が開く前に前記第１の排気弁を閉じることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記内燃機関に供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出手段を備え、
前記燃料性状検出手段が、前記燃料の気化性が所定値以下であることを検出した場合、
前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、
前記電動機が前記第１の過給機により前記空気を前記燃焼空間へ供給するとともに、前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給することを特徴とする請求項５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、過給機を備えるレシプロ式の内燃機関であり、ピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関（２ストローク内燃機関）は、ピストンが２往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関（４ストローク内燃機関）と比較して、軽量かつコンパクトであるとともに、同じ排気量であれば、より大きい出力を取り出すことができる。
【０００３】
また、排ガスによって過給する過給機を備える２ストローク内燃機関も知られている。特許文献１には、複数の排気口を有し、それぞれに互いに独立して操作可能な排気弁が設けられ、それぞれの排気口から排出される排ガスが異なる排気ターボ過給機のタービンへ供給される２ストローク内燃機関が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１１１２２号公報（図１、０００７、００１５〜００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された内燃機関は、内燃機関の運転条件に応じて排出される排ガスの排出量が変化した場合、過給効率が低下する領域で過給機を運転することがある。その結果、内燃機関の運転条件によっては、過給による性能向上が不十分となることがある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了し、かつ排ガスによって過給する過給機を備える内燃機関において、運転条件によって、過給による性能向上が不十分となることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、シリンダ内をピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関において、前記シリンダの頂部に開口して前記シリンダ内の燃焼空間から排ガスを排出する第１の排気ポートと、前記シリンダの頂部に開口して前記燃焼空間から排ガスを排出するとともに前記第１の排気ポートよりも大きい通路断面積を有する第２の排気ポートと、前記シリンダの側部に開口し、少なくとも空気を前記燃焼空間へ導入する吸気ポートと、前記吸気ポートの開口部よりも前記空気の流れの上流側に設けられる吸気ポートの通路断面積を変更する気流制御弁と、前記ピストンの頂面に前記シリンダの頂部に向かって突出して設けられ、前記吸気ポートの開口部から前記燃焼空間の内部へ導入される前記空気の流れを前記シリンダの頂部へ偏向させる気流変更部と、前記第１の排気ポートの開口部を開閉する第１の排気弁、及び前記第２の排気ポートの開口部を開閉する第２の排気弁と、前記第１の排気弁の作動と非作動とを制御する第１の排気弁制御手段、及び前記第２の排気弁の作動と非作動とを制御する第２の排気弁制御手段と、前記第１の排気ポートに接続されて前記第１の排気ポートを通過する排ガス及び電動機によって駆動されることで前記燃焼空間へ前記空気を供給する第１の過給機と、前記第２の排気ポートに接続されて前記第２の排気ポートを通過する排ガスによって駆動されることで前記燃焼空間へ前記空気を供給し、かつ前記空気の供給能力が前記第１の過給機よりも大きい第２の過給機と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構成により、内燃機関の負荷や機関回転数等の運転条件に応じて、第１の過給機へ供給する排ガスの割合と、前記第１の過給機とは空気の供給能力が異なる第２の過給機へ供給する排ガスとの割合を変更したり、内燃機関からの排ガスが期待できない運転条件では第１の過給機の電動機により過給したりすることができる。その結果、運転条件によって、過給による性能向上が不十分となることを抑制できる。
【０００９】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気ポート及び前記第２の排気ポートは、前記シリンダの頂部にそれぞれ複数開口するとともに、前記第２の排気ポートの開口数は前記第１の排気ポートの開口数よりも多いことが望ましい。
【００１０】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第２の排気ポートの開口部における前記第２の排気弁の直径は、前記第１の排気ポートの開口部における前記第１の排気弁の直径よりも大きいことが望ましい。
【００１１】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記吸気ポートの内部の前記空気へ燃料を供給するポート内燃料供給手段を備えることが望ましい。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記燃焼空間内の前記空気へ燃料を供給する筒内燃料供給手段を備えることが望ましい。
【００１３】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記内燃機関の始動時においては、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、前記電動機により前記第１の過給機を駆動して前記空気を前記燃焼空間へ供給するとともに、前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【００１４】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記内燃機関の暖機時においては、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【００１５】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記内燃機関の機関回転数が低回転である場合、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を、前記通路断面積の最大値よりも小さく０よりも大きい範囲とし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給し、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁が閉じる時期を変更することにより、前記吸気ポートから前記燃焼空間へ流入する前記空気の量を調整することが望ましい。
【００１６】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気弁制御手段は、前記第１の排気弁のリフト量を変更でき、前記第１の排気弁制御手段は、前記内燃機関の負荷が増加するにしたがって、前記第１の排気弁のリフト量を増加させることが望ましい。
【００１７】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気弁制御手段は、前記第１の排気弁のリフト量を変更でき、前記内燃機関の加速時には、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第１の排気弁のリフト量を前記内燃機関の加速前よりも大きくし、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給し、前記電動機によって前記第１の過給機を駆動して前記空気を前記燃焼空間へ供給することが望ましい。
【００１８】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、前記内燃機関の機関回転数が低回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁リフト量を前記内燃機関の加速時よりも小さい状態で作動させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁リフト量を前記第１の排気弁リフト量よりも小さい状態で作動させ、前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【００１９】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、前記内燃機関の機関回転数が中回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁リフト量を前記内燃機関の機関回転数が低回転かつ前記内燃機関の負荷が高負荷である場合よりも小さい状態で作動させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁リフト量を前記第１の排気弁リフト量よりも大きい状態で作動させ、前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【００２０】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の排気弁制御手段は前記第１の排気弁のリフト量を変更できるとともに、前記第２の排気弁制御手段は前記第２の排気弁のリフト量を変更でき、前記内燃機関の機関回転数が高回転、かつ前記内燃機関の負荷が全負荷である場合、前記気流制御弁が前記吸気ポートの通路断面積を所定の値よりも大きくし、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁の作動を停止させ、かつ前記第２の排気弁制御手段が、前記内燃機関の機関回転数が中回転かつ前記内燃機関の負荷が高負荷である場合よりも大きい状態で作動させ、前記筒内燃料供給手段によって前記燃焼空間の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【００２１】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記内燃機関がアイドリング状態である場合、又は前記内燃機関が低回転かつ低負荷で運転されている場合、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させるとともに、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させ、かつ前記吸気ポートの開口部が開く前に前記第１の排気弁を閉じることが望ましい。
【００２２】
本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記内燃機関に供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出手段を備え、前記燃料性状検出手段が、前記燃料の気化性が所定値以下であることを検出した場合、前記第１の排気弁制御手段が前記第１の排気弁を作動させるとともに、前記第２の排気弁制御手段が前記第２の排気弁の作動を停止させ、前記電動機が前記第１の過給機により前記空気を前記燃焼空間へ供給するとともに、前記ポート内燃料供給手段によって前記吸気ポート内の前記空気へ燃料を供給することが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、ピストンが１往復する間に熱機関の１サイクルが終了し、かつ排ガスによって過給する過給機を備える内燃機関において、運転条件によって、過給による性能向上が不十分となることを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の全体構成図である。図２は、本実施形態に係る内燃機関の一部拡大図である。図３は、本実施形態に係る内燃機関の排気弁のリフト量を説明する概念図である。図４−１、図４−２は、本実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの頂面を示す平面図である。
【００２６】
内燃機関１０は、ピストン１３がシリンダ１１内を１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する、いわゆる２ストローク１サイクルのレシプロ式内燃機関である。シリンダ１１の内部には、空気ａと内燃機関１０に供給される燃料（炭化水素を含む燃料）との混合気が燃焼する燃焼空間１４が形成される。
【００２７】
図２に示すように、燃焼空間１４は、シリンダ１１の内周面１１Ｓと、シリンダ１１の頂部１２と、ピストン１３の頂面１３ｔとで囲まれる空間である。燃焼空間１４内では、空気ａと燃料との混合気が点火プラグ１５からの放電によって着火され、燃焼する。前記混合気の燃焼圧力をピストン１３の頂面１３ｔが受けて、ピストン１３はシリンダ１１内で往復運動する。シリンダ１１内におけるピストン１３の往復運動は、コネクティングロッド６を介してクランクシャフト５へ伝達され、ここで回転運動に変換され、内燃機関１０の出力として取り出される。
【００２８】
シリンダ１１の頂部１２には、第１の排気ポート（第１排気ポート）２０ｌ及び第２の排気ポート（第２排気ポート）２０ｈが開口している。第１排気ポート２０ｌの開口部は第１開口部２０ｌｏであり、第２排気ポート２０ｈの開口部は第２開口部２０ｈｏである。第１開口部２０ｌｏには第１の排気弁（第１排気弁）２１が配置してあり、第１排気弁２１は、第１開口部２０ｌｏを開閉する。また、第２開口部２０ｈｏには第２の排気弁（第２排気弁）２２が配置してあり、第２排気弁２２は、第２開口部２０ｈｏを開閉する。
【００２９】
第１排気弁２１は、第１の排気弁制御手段（第１動弁機構）２１ａによって開閉され、第２排気弁２２は、第２の排気弁制御手段（第２動弁機構）２２ａによって開閉される。第１排気弁２１が開くと、燃焼空間１４内で燃焼した混合気の残留ガスが第１開口部２０ｌｏと第１排気弁２１との間を通って第１排気ポート２０ｌへ排出される。また、第２排気弁２２が開くと、燃焼空間１４内の残留ガスが第２開口部２０ｈｏと第２排気弁２２との間を通って第２排気ポート２０ｈへ排出される。このように、第１排気ポート２０ｌ及び第２排気ポート２０ｈは、燃焼空間１４内で燃焼した混合気の残留ガスを排ガスＥｘとして燃焼空間１４の外部へ導く排ガス通路として機能する。
【００３０】
また、第１排気弁２１は、第１動弁機構２１ａによって作動と非作動とが制御され、第２排気弁２２は、第２動弁機構２２ａによって作動と非作動とが制御される。ここで、第１排気弁２１や第２排気弁２２が作動するとは、第１排気弁２１や第２排気弁２２がピストン１３の往復運動に同期して周期的に開閉することにより、燃焼空間１４内の残留ガスを第１排気ポート２０ｌや第２排気ポート２０ｈへ排出することをいう。また、第１排気弁２１や第２排気弁２２が非作動であるとは、第１排気弁２１や第２排気弁２２が開閉動作をしないことをいう。
【００３１】
第１動弁機構２１ａ及び第２動弁機構２２ａは、例えば、内燃機関１０のクランクシャフト５から掛け回された無端のベルト等によって駆動されるカムシャフトを備え、前記カムシャフトに設けられたカムによって、ピストン１３の往復運動と同期させて第１排気弁２１や第２排気弁２２を開閉する。そして、それぞれのカムシャフトと無端のベルト等との間には動力断続機構（クラッチ）を設けて、第１排気弁２１や第２排気弁２２の動作と非動作とを切り替える。
【００３２】
また、第１動弁機構２１ａ及び第２動弁機構２２ａを、例えばソレノイドのようなリニアアクチュエータによって構成し、第１排気弁２１や第２排気弁２２の動作を電気的に制御してもよい。この場合、クランクシャフト５の回転角度を検出するクランク角センサ２９が検出したクランク角度に基づいて、ピストン１３の往復運動と同期させてソレノイドをＯＮ−ＯＦＦすることにより、第１排気弁２１や第２排気弁２２を開閉する。ソレノイドを動作さると第１排気弁２１や第２排気弁２２が動作状態となり、ソレノイドを動作させないと第１排気弁２１や第２排気弁２２が非動作状態となる。
【００３３】
本実施形態において、第１動弁機構２１ａ及び第２動弁機構２２ａは、第１排気弁２１及び第２排気弁２２のリフト量を調整できる機能を有する。例えば、第１排気弁２１及び第２排気弁２２をカムシャフトで駆動する場合、リフト量の異なる複数のカムを切り替えてリフト量を変更したり、カムと第１排気弁２１及び第２排気弁２２との間に配置されるロッカーアームのレバー比を変更することによりリフト量を変更したりする。
【００３４】
ここで、リフト量とは、図３に示すように、第１排気弁２１のバルブ傘部２１Ｋや第２排気弁２２のバルブ傘部２２Ｋがシリンダ１１の頂部１２の内面から突出する大きさである。第１排気弁２１や第２排気弁２２のリフト量が大きくなると、第１開口部２０ｌｏと第１排気弁２１のバルブ傘部２１Ｋとの距離や、第２開口部２０ｈｏと第２排気弁２２のバルブ傘部２２Ｋとの距離が大きくなる。これによって、第１開口部２０ｌｏや第２開口部２０ｈｏを通過して第１排気ポート２０ｌや第２排気ポート２０ｈへ排出される排ガスＥｘの流量を大きくすることができる。
【００３５】
本実施形態では、第１動弁機構２１ａ及び第２動弁機構２２ａによって、第１排気弁２１及び第２排気弁２２のリフト量が大きく分けて３段階に変化する。図３の実線が低リフト量、点線が中リフト量、一点鎖線が高リフト量である。低リフト量、中リフト量、高リフト量となるにしたがってリフト量は増加する。本実施形態において、リフト量は段階的に変化してもよいし、連続的に変化してもよい。
【００３６】
本実施形態において、第２排気ポート２０ｈの通路断面積Ｓｈ、すなわち、排ガス通路である第２排気ポート２０ｈを通過する排ガスＥｘの流れ方向と直交する断面の面積は、排ガス通路である第１排気ポート２０ｌの通路断面積Ｓｌよりも大きい。これによって、第２排気ポート２０ｈは、第１排気ポート２０ｌよりも大きい流量で排ガスＥｘを通過させることができる。
【００３７】
図４−１に示すように、シリンダの頂部１２には第１開口部２０ｌｏ及び第２開口部２０ｈｏが複数開口しており、第２開口部２０ｈｏの数（すなわち第２排気ポート２０ｈの開口数）は、第１開口部２０ｌｏの数（すなわち第１排気ポート２０ｌの開口数）よりも多い。図４−１に示す例では、第１開口部２０ｌｏが２個、第２開口部２０ｈｏが３個である。これによって、第２排気ポート２０ｈの通路断面積Ｓｈが第１排気ポート２０ｌの通路断面積Ｓｌよりも大きいことに対応して、第１排気ポート２０ｌよりも第２排気ポート２０ｈの方が、より大きい流量で排ガスＥｘを流すことができる。
【００３８】
また、図４−２に示すように、第２開口部２０ｈｏと第１開口部２０ｌｏとを同じ個数とするとともに（図４−２に示す例ではそれぞれ２個）、第２開口部２０ｈｏの面積を第１開口部２０ｌｏの面積よりも大きくしている。すなわち、第２開口部２０ｈｏの直径（第２排気弁２２の傘部の直径に相当）を、第１開口部２０ｌｏの直径（第１排気弁２１の傘部の直径に相当）よりも大きくしている。これによって、第２排気ポート２０ｈの通路断面積Ｓｈが第１排気ポート２０ｌの通路断面積Ｓｌよりも大きいことに対応して、第１排気ポート２０ｌよりも第２排気ポート２０ｈの方が、より大きい流量で排ガスＥｘを流すことができる。
【００３９】
内燃機関１０は、内燃機関１０が排出する排ガスＥｘによって駆動される第１の過給機（以下第１過給機）３１及び第２の過給機（以下第２過給機）３２を備える。第１過給機３１及び第２過給機３２は、内燃機関１０のシリンダ１１内の燃焼空間１４へ、燃料との燃焼に供する空気ａを供給するとともに、ピストン１３を駆動した後、燃焼空間１４内に残留する燃焼ガスを、供給した空気ａによって燃焼空間１４の外部へ排出（掃気）する。
【００４０】
第１過給機３１は、内燃機関１０から排出される排ガスＥｘによって駆動されるタービン３１ａと、タービン３１ａに連結されてタービン３１ａとともに回転して空気ａを吐出する圧縮機３１ｂと、タービン３１ａと圧縮機３１ｂとを連結する電動機３１ｍとで構成される。このような構成により、第１過給機３１は、内燃機関１０から排ガスＥｘが排出されない場合でも、電動機３１ｍによって圧縮機３１ｂを駆動して内燃機関１０へ空気ａを供給できる。
【００４１】
第２過給機３２は、内燃機関１０から排出される排ガスＥｘによって駆動されるタービン３２ａと、タービン３２ａに連結されてタービン３２ａとともに回転して空気ａを吐出する圧縮機３２ｂと、タービン３２ａと圧縮機３２ｂとを連結するシャフト３２ｓとで構成される。ここで、タービン３１ａ、３２ａを駆動した排ガスＥｘは、排ガス浄化触媒１９ｌ、１９ｈで浄化されてから大気中へ排出される。
【００４２】
図１に示すように、第１過給機３１には第１排気ポート２０ｌが接続されており、第１排気ポート２０ｌを通過した排ガスＥｘが第１過給機３１のタービン３１ａへ供給される。また、第２過給機３２には第２排気ポート２０ｈが接続されており、第２排気ポート２０ｈを通過した排ガスＥｘが第２過給機３２のタービン３２ａへ供給される。このような構成により、第２過給機３２のタービン３２ａには、第１過給機３１のタービン３１ａよりも多くの排ガスＥｘが供給できる。
【００４３】
本実施形態において、第２過給機３２は、内燃機関１０に対する空気の供給能力が第１過給機３１よりも大きい。すなわち、第２過給機３２が備えるタービン３２ａは、第１過給機３１が備えるタービン３１ａよりも大きい流量の排ガスＥｘを流すことができ、かつ第２過給機３２が備える圧縮機３２ｂは、第１過給機３１が備える圧縮機３１ｂよりも風量（容量）が大きい。また、上述したように、第２過給機３２のタービン３２ａには、第１過給機３１のタービン３１ａよりも多くの排ガスＥｘが供給できる。このような構成により、本実施形態では、第２過給機３２の空気の供給能力が、第１過給機３１よりも大きくなる。
【００４４】
内燃機関１０の燃焼空間１４には、第１過給機３１あるいは第２過給機３２を介して燃料との燃焼に供する空気ａが供給される。空気ａは、エアークリーナー２６によって塵やごみが除去された後、エアフローメータ２７で流量（質量流量）が計測される。その後、空気ａは、第１吸気通路１７ａを通って第１過給機３１の圧縮機３１ｂあるいは第２過給機３２の圧縮機３２ｂへ流入する。第１過給機３１の圧縮機３１ｂあるいは第２過給機３２の圧縮機３２ｂで運動エネルギーを与えられ、圧力が上昇した空気ａは、第１過給機３１の圧縮機３１ｂの出口に接続される第１過給機出口通路１７ｌ、あるいは第２過給機３２の圧縮機３２ｂの出口に接続される第２過給機出口通路１７ｈへ吐出される。
【００４５】
第１過給機出口通路１７ｌあるいは第２過給機出口通路１７ｈへ吐出された空気ａは、第２吸気通路１７ｂを通って吸気冷却器３０へ流入し、ここで温度を下げられる。吸気冷却器３０は、例えば、外気を冷却媒体として、外気と空気ａとの間で熱交換させることにより、圧縮機３１ｂ、３２ｂで加圧され、昇温した空気ａを冷却する熱交換器である。吸気冷却器３０で温度が下げられた空気ａは、第３吸気通路１７ｃを通過して吸気ポート１８へ導かれ、吸気ポート１８から内燃機関１０の燃焼空間１４へ導入される。
【００４６】
図２に示すように、吸気ポート１８は、内燃機関１０のシリンダ１１の側部に開口している。また、図１、図２に示すように、吸気ポート１８には、吸気ポート１８内の空気に燃料を噴射して供給するポート内燃料供給手段として、ポート噴射弁２３が設けられている。吸気ポート１８を通過する空気に燃料を噴射することで、空気と燃料との混合気が形成され、これが燃焼空間１４へ流入する。このように、吸気ポート１８から燃焼空間１４へは、空気あるいは空気と燃料との混合気が導入されるが混合気は空気を含むので、吸気ポート１８から燃焼空間１４へは少なくとも空気が導入される。
【００４７】
また、図１、図２に示すように、内燃機関１０は、燃焼空間１４内の空気へ燃料を供給する筒内燃料供給手段として筒内燃料噴射弁２４を備える。筒内燃料噴射弁２４は、シリンダ１１の中心部分よりも径方向外側であって、ポート噴射弁２３が配置される側に配置される。この筒内燃料噴射弁２４によって、燃焼空間１４内へ流入した空気へ燃料を直接噴射して、燃焼空間１４内で空気と燃料との混合気を形成する。この場合、ポート噴射弁２３からは燃料を噴射しないで空気のみを燃焼空間１４内へ導入してもよいし、ポート噴射弁２３と筒内燃料噴射弁２４との両方を用いて必要な燃料の全量を噴射してもよい。
【００４８】
内燃機関１０は、ピストン１３が下死点方向に移動すると、吸気ポート１８の開口部（吸気開口部）１８ｏが開いて、吸気ポート１８から空気、又は空気と燃料との混合気が燃焼空間１４へ流入する。ピストン１３が下死点を通過し、上死点へ向かう過程で吸気ポート開口部１８ｏが閉じられ、燃焼空間１４内の空気、あるいは空気と燃料との混合気が圧縮される。そして、図２に示すシリンダ１１の頂部１２に取り付けられる第１点火手段である第１点火プラグ１５又は第２点火手段である第２点火プラグ１６が放電することによって、ピストン１３が上死点へ向かうことによって圧縮された混合気が着火される。
【００４９】
第１点火プラグ１５は、内燃機関１０の負荷が低いときに用いられ、第２点火プラグ１６は、内燃機関１０の負荷が高いときに用いられる。図２、図４−１、図４−２に示すように、第１点火プラグ１５は、シリンダ１１の中心部分よりも径方向外側であって、筒内燃料噴射弁２４及びポート噴射弁２３が配置される側に配置される。一方、第２点火プラグ１６は、シリンダ１１の中心部分に配置される。
【００５０】
吸気ポート１８の開口部、すなわち吸気ポート開口部１８ｏよりも空気の流れの上流側であってポート噴射弁２３の燃料噴射位置と吸気ポート開口部１８ｏよりも空気の流れの下流側には、気流制御弁２８が設けられる。本実施形態において、気流制御弁２８は、吸気ポート１８のシリンダ１１の頂部１２側に配置される。気流制御弁２８は、吸気ポート１８内を流れる空気の流れ方向Ｙ及びシリンダ１１の中心軸（シリンダ軸）Ｚｃと直交する軸Ｘから吸気ポート開口部１８ｏへ向かって突出する部材であり、軸Ｘを中心として回動する（図２の矢印Ｒ方向）。ここで、気流制御弁２８は、例えば電動機で構成される気流制御弁用アクチュエータ２８ａによって駆動されて、弁開度が調整される。
【００５１】
このような構成により、気流制御弁２８は、吸気ポート１８の通路断面積、すなわち吸気ポート１８内を流れる空気の流れ方向Ｙと直交する断面の面積を変更する。ここで、吸気ポート１８の通路断面積は、気流制御弁２８が設けられる位置における通路断面積、すなわち、ポート噴射弁２３の燃料噴射位置と吸気ポート開口部１８ｏとの間における通路断面積であり、その最大値はＡｍａｘである。より具体的には、気流制御弁２８の回動中心、すなわち軸Ｘとは反対側の端部の位置における通路断面積である。
【００５２】
内燃機関１０の運転中において、気流制御弁２８は、吸気ポート１８を完全に閉じるまでは動作しない。すなわち、気流制御弁２８の閉弁度合いが最大であっても、吸気ポート１８は空気の流れる流路が確保される。このときの吸気ポート１８の通路断面積をＡｍｉｎとする。したがって、内燃機関１０の運転中において、気流制御弁２８が動作することにより、吸気ポート１８の通路断面積は、ＡｍｉｎからＡｍａｘの間で変化する。
【００５３】
上記構成によって、気流制御弁２８は、燃焼空間１４内へ流入する空気あるいは空気と燃料との混合気の流量を調整できる。また、気流制御弁２８が軸Ｘを中心として回動することにより、吸気ポート１８から燃焼空間１４内へ流入する空気の流れを変更することもできる。例えば、気流制御弁２８の回動中心、すなわち軸Ｘとは反対側の端部を、ピストン１３の下死点方向に向かって回動させると、吸気ポート１８内から燃焼空間１４へ流入する空気や混合気の流れを、吸気ポート開口部１８ｏのピストン下死点側に向かう流れに変更することができる。
【００５４】
図２に示すように、内燃機関１０のピストン１３の頂面１３ｔには、気流変更部１３ａが設けられる。気流変更部１３ａは、シリンダ１１の頂部１２に向かって突出して設けられ、吸気ポート開口部１８ｏから燃焼空間１４の内部へ導入される空気の流れを、シリンダ１１の頂部１２へ偏向させる。気流変更部１３ａは、ピストン１３の頂面１３ｔであって、シリンダ軸Ｚｃよりも吸気ポート開口部１８ｏ側に設けられる。
【００５５】
ピストン１３が上死点の近傍にあるときに筒内燃料噴射弁２４から燃料を噴射すると、その燃料は気流変更部１３ａでシリンダ１１の頂部１２へ偏向させられ、第１点火プラグ１５の近傍に集められる。また、ピストン１３が下死点に向かって移動すると、吸気ポート開口部１８ｏが開き、吸気ポート１８から空気、あるいは空気と燃料との混合気が燃焼空間１４へ流入する。燃焼空間１４へ流入した空気、あるいは前記混合気の流れは気流変更部１３ａによって偏向されて、シリンダ１１の頂部１２へ向かう。
【００５６】
このとき、気流制御弁２８の回動中心とは反対側の端部を、ピストン１３の下死点方向に向かって回動させると、吸気ポート１８内から燃焼空間１４へ流入する空気や混合気の流れを、吸気ポート開口部１８ｏのピストン下死点側に向かう流れにすることができる。これによって、燃焼空間１４へ流入する空気や混合気は、ピストン１３の頂面１３ｔに設けられた気流変更部１３ａに向かうので、気流変更部１３ａによってシリンダ１１の頂部１２へ向かう空気や混合気の流れを効果的に作り出すことができる。
【００５７】
ポート噴射弁２３及び筒内燃料噴射弁２４には、燃料タンク３５内の燃料が供給される。ポート噴射弁２３は、フィードポンプ３８によって燃料タンク３５内の燃料が供給される。筒内燃料噴射弁２４は、高圧の燃焼空間１４へ燃料を噴射する。このため、フィードポンプ３８から吐出される燃料は、高圧ポンプ３９によって昇圧されてから筒内燃料噴射弁２４へ供給される。フィードポンプ３８とポート噴射弁２３及び筒内燃料噴射弁２４との間には、内燃機関１０に供給される燃料の性状を判定する燃料性状検出手段３７が設けられる。
【００５８】
燃料性状検出手段３７は、内燃機関１０に供給される燃料の気化性（気化し易さに関する尺度）を判定するものである。例えば、アルコールとガソリンとの混合燃料は、アルコールが混入している分だけガソリン単体の燃料よりも気化しにくい。また、ガソリン単体の燃料でも、重質燃料はより気化しにくい傾向がある。燃料性状検出手段３７は、内燃機関１０に供給される燃料の気化性を、内燃機関１０の運転制御のための情報として検出するものである。アルコールとガソリンとの混合燃料を用いる場合には、例えば、燃料性状検出手段３７としてアルコール濃度センサを用い、燃料中のアルコール濃度を検出する。この場合、燃料中のアルコール濃度が高いほど、燃料は気化しにくいと判断できる。
【００５９】
内燃機関１０の運転を制御するために、内燃機関１０には各種のセンサ類が取り付けられる。このようなセンサ類としては、例えば、上述したエアフローメータ２７、クランク角センサ２９、燃料性状検出手段３７があり、この他にも内燃機関１０を冷却する冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ２５がある。これらのセンサ類から得られた情報は、図１に示す機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２が備える内燃機関の運転制御装置５０が取得して、内燃機関１０の運転制御に用いる。
【００６０】
図５は、本実施形態に係る内燃機関の運転制御装置の構成を示す説明図である。内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置という）５０は、図１に示す機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２内に設けられ、ＥＣＵ２の１機能として、本実施形態に係る内燃機関の運転制御（以下運転制御という）を実現するものとして構成される。運転制御装置５０は、いわゆるマイクロコンピュータで構成される処理部５０Ｐを備えており、記憶部５０Ｍに格納されている本実施形態に係る運転制御を実現するためのコンピュータプログラムに従って、本実施形態に係る運転制御を実行する。
【００６１】
処理部５０Ｐと記憶部５０Ｍとは、データバス５８ｃによって接続されて、相互に通信できるようになっている。運転制御装置５０は、処理部５０Ｐが、本実施形態に係る運転制御に必要な情報を取得するために、入力ポート５６Ｐ及び入力インターフェース５６Ｉを備える。また、運転制御装置５０は制御対象を動作させるため、出力ポート５７Ｐ及び出力インターフェース５７Ｉを備える。処理部５０Ｐと入力ポート５６Ｐとは、データバス５８ａによって接続され、また、処理部５０Ｐと出力ポート５７Ｐとは、データバス５８ｂによって接続される。
【００６２】
入力ポート５６Ｐには、入力インターフェース５６Ｉが接続されている。入力インターフェース５６Ｉには、冷却水温度センサ２５、エアフローメータ２７、クランク角センサ２９、燃料性状検出手段３７といった、運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェース５６Ｉ内のＡ／Ｄコンバータ５６ａやディジタル入力バッファ５６ｂにより、処理部５０Ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５６Ｐへ送られる。これにより、運転制御装置５０の処理部５０Ｐは、本実施形態に係る運転制御に必要な情報を取得することができる。
【００６３】
出力ポート５７Ｐには、出力インターフェース５７Ｉが接続されている。出力インターフェース５７Ｉには、本実施形態に係る運転制御における制御対象として、ポート噴射弁２３、筒内燃料噴射弁２４、第１点火プラグ１５、第２点火プラグ１６、第１動弁機構２１ａ、第２動弁機構２２ａ、図１に示す第１過給機３１が備える電動機３１ｍ、気流制御弁用アクチュエータ２８ａが接続されている。出力インターフェース５７Ｉには、制御回路５７ａ、５７ｂ等が設けられており、処理部５０Ｐで演算された制御信号に基づき、これらの制御対象を動作させる。
【００６４】
図５に示すように、処理部５０Ｐは、制御条件判定部５１と、気流制御部５２と、排気弁制御部５３と、燃料供給制御部５４と、過給機制御部５５と、点火制御部５９とを含んで構成される。これらが、本実施形態に係る運転制御を実行する部分となる。制御条件判定部５１と、気流制御部５２と、排気弁制御部５３と、燃料供給制御部５４と、過給機制御部５５と、点火制御部５９とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成されている。
【００６５】
記憶部５０Ｍには、本実施形態に係る運転制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや本実施形態に係る運転制御に用いるデータマップ等が格納されている。記憶部５０Ｍは、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。なお、上記コンピュータプログラムは、運転制御装置５０が既に備えているコンピュータプログラムと組み合わせることによって、本実施形態に係る運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御条件判定部５１、気流制御部５２、排気弁制御部５３、燃料供給制御部５４、過給機制御部５５及び点火制御部５９の機能を実現するものであってもよい。次に、本実施形態に係る運転制御を説明する。
【００６６】
図６は、本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。図７〜図１１は、本実施形態に係る運転制御の説明図である。まず、図１に示す内燃機関１０の始動時における制御を説明する。
【００６７】
［始動時の制御］
図５に示す運転制御装置５０の制御条件判定部５１によって図１に示す内燃機関１０が始動時であると判定された場合、運転制御装置５０によって内燃機関１０は次のように制御される。例えば、イグニッションがＯＮである場合、制御条件判定部５１は、内燃機関１０が始動時であると判定する。
【００６８】
内燃機関１０の始動時において、運転制御装置５０の気流制御部５２は、気流制御弁用アクチュエータ２８ａを駆動して、図７に示すように、気流制御弁２８を閉じる方向（図７の矢印Ｒｃの方向）に制御する。すなわち、気流制御部５２は、気流制御弁２８を動作させて、吸気ポート１８の通路断面積を、最大の断面積（最大通路断面積）Ａｍａｘよりも小さく０よりも大きい範囲とする。より具体的には、気流制御弁２８の開度を最小にして、吸気ポート１８の通路断面積を、内燃機関１０の運転時における最小の断面積Ａｍｉｎとする。
【００６９】
運転制御装置５０の排気弁制御部５３は、第２動弁機構２２ａの駆動を実行しないことにより、第２排気弁２２を非作動とする。そして、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させることにより、第１排気弁２１から燃焼空間１４内の排ガスＥｘを排出させる。なお、第１排気弁２１のリフト量は最大である。
【００７０】
運転制御装置５０の燃料供給制御部５４は、筒内燃料噴射弁２４を停止するとともに、図７に示すように、ポート噴射弁２３から吸気ポート１８内の空気ａへ燃料２３ａを噴射する。そして、運転制御装置５０の過給機制御部５５は、第１過給機３１の電動機３１ｍにより第１過給機３１の圧縮機３１ｂを駆動して燃焼空間１４へ空気を供給することにより、内燃機関１０の始動開始から２サイクル目以降の掃気を実行する。これにより、第１過給機３１のタービン３１ａへ供給される排ガスＥｘの量が少ない場合であっても、確実に燃焼空間１４へ空気を供給できる。運転制御装置５０の点火制御部５９は、第１点火プラグ１５から放電させて、燃焼空間１４内の混合気２３ｂへ点火する。
【００７１】
内燃機関１０の始動時においては、上述したように気流制御弁２８を閉じることによって、吸気ポート１８内の空気ａにポート噴射弁２３から燃料２３ａが噴射された混合気２３ｂはピストン１３の気流変更部１３ａに導かれ、第１点火プラグ１５で着火される。また、第１過給機３１を電動機３１ｍで駆動することにより、第１過給機３１で燃焼空間１４へ空気を供給することにより、内燃機関１０の始動開始から確実に燃焼空間１４へ空気を供給する。これによって、内燃機関１０を確実に始動できる。
【００７２】
［気化性の低い燃料を用いた場合における低温始動時の制御］
図１に示す内燃機関１０の燃料の気化性が低い場合、例えば、燃料にアルコールが添加されている場合、アルコールが添加されていない場合と比較して燃料は気化しにくくなる。その結果、混合気の燃焼が悪化するので、内燃機関１０の始動が困難になったり、トルクムラが発生したり、スモークが増加したりするおそれがある。特に、外気の温度が低い場合にはこれが顕著になる。制御条件判定部５１は、燃料性状検出手段３７から燃料の気化性に関する情報を取得する。燃料性状検出手段３７にアルコール濃度センサを用いる場合、制御条件判定部５１は、燃料中のアルコール濃度に基づいて燃料の気化性を判定する。
【００７３】
燃料の気化性が所定の閾値以下である場合に次に説明する始動時の制御を実行し、燃料の気化性が所定の閾値よりも大きい場合には、前記始動時の制御は実行しない。燃料の気化性が低い場合においては、第１過給機３１の電動機３１ｍを駆動するとともに、燃料の気化性が良好である場合よりも高い圧力まで空気を加圧して、燃料の気化性を促進する。このため、燃料の気化性が低い場合においては、電動機３１ｍの仕事量が増加する。すなわち、エネルギーの消費量が増加する。したがって、上記条件によって過給圧力を通常の始動時よりも高くするか否かを判定することにより、無駄なエネルギー消費を抑制できる。
【００７４】
なお、外気温度が低い場合に燃料の気化性が低いことによる影響が顕著になるので、この判定においては、外気温度を判定のパラメータとして追加してもよい。この場合、例えば、外気温度が所定の閾値以下、かつ燃料の気化性が所定の閾値である場合に、次に説明する始動時の制御を実行すると判定する。このようにすれば、判定精度が向上する。
【００７５】
制御条件判定部５１が、燃料の気化性が所定の閾値以下かつ外気温度が所定の閾値以下であると判定するとともに、内燃機関１０が始動時であると判定された場合、気流制御弁２８、第１排気弁２１及び第２排気弁２２の作動、第１点火プラグ１５の制御は上述した始動時の制御と同様なので、説明を省略する。
【００７６】
過給機制御部５５は、第１過給機３１の電動機３１ｍにより第１過給機３１の圧縮機３１ｂを駆動して燃焼空間１４へ空気を供給することにより、内燃機関１０の始動開始から２サイクル目以降の掃気を実行する。これにより、第１過給機３１のタービン３１ａへ供給される排ガスＥｘの量が少ない場合であっても、確実に燃焼空間１４へ空気を供給できる。この場合、過給機制御部５５は、燃料の気化性が所定の閾値よりも大きい場合の始動よりも過給圧力を高くする。これにより、燃焼空間１４へ供給される空気の温度を上昇させ、燃料の気化を促進する。
【００７７】
内燃機関１０の始動時においては、上述したように気流制御弁２８を閉じることによって、吸気ポート１８内の空気ａにポート噴射弁２３から燃料２３ａが噴射された混合気２３ｂはピストン１３の気流変更部１３ａに導かれ、第１点火プラグ１５で着火される。また、第１過給機３１を電動機３１ｍで駆動することにより、第１過給機３１で燃焼空間１４へ空気を供給するとともに、内燃機関１０の燃料の気化性が良好である場合よりも過給圧力を高くする。これによって、気化性の低い燃料を用いた場合であっても、確実に内燃機関１０を始動できるとともに、燃焼悪化に起因するトルクムラやスモークの発生を抑制できる。特に、外気温度が低い場合には好適である。
【００７８】
［暖機時における制御］
図５に示す制御条件判定部５１によって、図１に示す内燃機関１０が運転を開始し、かつ暖機運転中であると判定された場合、運転制御装置５０によって内燃機関１０は次のように制御される。内燃機関１０が暖機運転中であるか否かは、例えば、冷却水温度センサ２５によって検出される内燃機関１０の冷却水温度が暖機終了温度以下である場合に内燃機関１０は暖機運転中であり、前記冷却水温度が暖機終了温度を超えた場合に内燃機関１０の暖機は終了したと判定される。
【００７９】
内燃機関１０の暖機運転中、気流制御部５２は、気流制御弁用アクチュエータ２８ａを駆動して、図８に示すように、気流制御弁２８を閉じる方向（図８の矢印Ｒｃの方向）に制御する。より具体的には、気流制御部５２は、気流制御弁２８の開度を最小にして、吸気ポート１８の通路断面積を内燃機関１０の運転時における最小の断面積Ａｍｉｎとする。
【００８０】
排気弁制御部５３は、第２動弁機構２２ａの駆動を実行しないことにより、第２排気弁２２を非作動とする。そして、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させることにより、第１排気弁２１から燃焼空間１４内の排ガスＥｘを排出させる。
【００８１】
内燃機関１０は、スロットル弁を備えず、燃焼空間１４内の残留ガス４０の量で燃焼空間１４へ流入する空気の量を制御して、出力が調整される。このため、排気弁制御部５３は、内燃機関１０の運転条件に応じて第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１の閉弁時期を変更することで残留ガス４０の量を調整したり、第１排気弁２１のリフト量を最大から最小の範囲で制御することによって残留ガス４０の量を調整したりする。
【００８２】
燃料供給制御部５４は、ポート噴射弁２３を停止するとともに、図８に示すように、筒内燃料噴射弁２４から燃焼空間１４内へ燃料２４ａを噴射する。そして、過給機制御部５５は、第１過給機３１のタービン３１ａに供給される排ガスにより第１過給機３１の圧縮機３１ｂを駆動して燃焼空間１４へ空気を供給する。点火制御部５９は、第１点火プラグ１５から放電させて、燃焼空間１４内の燃料２４ａと空気との混合気へ点火する。
【００８３】
このとき、点火制御部５９は、第１点火プラグ１５から放電させる時期（点火時期）を、暖機終了後における同一の運転条件時と比較して大幅に遅角する。例えば、点火時期は、圧縮上死点後とする。これによって、内燃機関１０の排ガスの温度が上昇するので、図１に示す排ガス浄化触媒１９ｌ、１９ｈや内燃機関１０を早期に暖機できる。なお、上述したように、内燃機関１０は、燃焼空間１４内の残留ガス４０の量で燃焼空間１４へ流入する空気の量を制御するので、通常のリーンバーンと比較して排ガスの温度の低下は小さくなる。これによって、より早期に排ガス浄化触媒や内燃機関１０の暖機が完了する。
【００８４】
［アイドリング時や低回転かつ低負荷運転時の制御］
図５に示す制御条件判定部５１によって、図１に示す内燃機関１０がアイドリング時であったり、低回転かつ低負荷で運転されていたりすると判定された場合、運転制御装置５０によって内燃機関１０は次のように制御される。内燃機関１０がアイドリング時である場合や、低回転かつ低負荷で運転されている場合は、例えば、クランク角センサ２９によって検出される内燃機関１０のクランクシャフト５の単位時間当たりにおける回転数（機関回転数）に基づいて判定される。例えば、現時点における機関回転数が、予め設定され、運転制御装置５０の記憶部５０Ｍに格納されているアイドリング回転数である場合には、内燃機関１０がアイドリング時であると判定される。
【００８５】
また、本実施形態において、低回転とは、機関回転数がアイドリング回転数よりも大きく内燃機関１０の最大許容回転数の１／３以下の場合であり、中回転とは、機関回転数が内燃機関１０の最大許容回転数の１／３よりも大きく２／３以下の場合であり、高回転とは、機関回転数が内燃機関１０の最大許容回転数の２／３よりも大きく最大許容回転数以下の場合である。さらに、本実施形態において、低負荷とは、内燃機関１０の負荷率が０％よりも大きく３５％以下の場合であり、中負荷とは、内燃機関１０の負荷率が３５％よりも大きく７０％以下の場合であり、高負荷とは、内燃機関１０の負荷率が７０％よりも大きく１００％以下の場合である。内燃機関１０の負荷率は、エアフローメータ２７によって検出される吸入空気量に基づいて求められる負荷から求める。
【００８６】
内燃機関１０がアイドリング状態である場合や、内燃機関１０が低回転かつ低負荷で運転されている場合、内燃機関１０の排出する排ガスの量が少ないため、内燃機関１０に対する過給圧力は低い。この場合、燃焼空間１４へ空気を十分に供給できないおそれがある。このため、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させるとともに、吸気ポート１８が開く前に第１排気弁２１を閉弁する。これによって、燃焼空間１４内の圧力を吸気ポート１８内の圧力よりも低くできるので、燃焼空間１４へ確実に空気を導入できる。
【００８７】
なお、この場合、排気弁制御部５３は、第２動弁機構２２ａの駆動を実行しないことにより、第２排気弁２２を非作動とする。また、燃料供給制御部５４は、図９に示すように、筒内燃料噴射弁２４を停止するとともに、ポート噴射弁２３から燃焼空間１４内へ燃料２３ａを噴射する。筒内燃料噴射弁２４で燃料を噴射すると、燃焼空間１４内の残留ガス４０の部分にまで燃料が進入し、混合気の空燃比が変化するおそれがある。このため、上述したようにポート噴射弁２３で吸気ポート１８内へ燃料を噴射して、空気と燃料とを十分に混合した後に点火する。
【００８８】
気流制御部５２は、気流制御弁用アクチュエータ２８ａを駆動して、図９に示すように、気流制御弁２８を閉じる方向（図９の矢印Ｒｃの方向）に制御する。より具体的には、気流制御部５２は、気流制御弁２８の開度を最小にして、吸気ポート１８の通路断面積を内燃機関１０の運転時における最小の断面積Ａｍｉｎとする。
【００８９】
アイドリング時や低回転かつ低負荷の運転条件なので、排気弁制御部５３は、第１排気弁２１のリフト量が最小になるように第１動弁機構２１ａを駆動する。これによって、燃焼空間１４内の残留ガス４０の量を多くするとともに、燃焼空間１４へ導入される空気の量を少なくして、前記運転状態に対応させた状態で内燃機関１０を運転する。点火制御部５９は、第１点火プラグ１５から放電させることにより、燃焼空間１４内へ形成された混合気２３ｂへ点火する。
【００９０】
［低回転かつ高負荷時の制御］
図１に示す内燃機関１０が低回転かつ高負荷で運転されている場合、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させるとともに、第１排気弁２１のリフト量を低回転かつ低負荷、あるいは中負荷での運転時よりも大きくする。これによって、図１０に示すように、燃焼空間１４内の残留ガス４０の量を低減させることによって燃焼空間１４内に導入される空気の量を増加させて、高負荷に対応する。なお、低回転かつ高負荷の場合、第１過給機３１に過給させるために必要な排ガス量は確保されているので、吸気ポート１８が開く前に第１排気弁２１を閉弁する制御は実行しない。
【００９１】
なお、低回転かつ中負荷時において、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させるとともに、第１排気弁２１のリフト量を低回転かつ低負荷での運転時よりも大きくする。このように、本実施形態では、内燃機関１０に対する負荷が増加するにしたがって第１排気弁２１のリフト量を増加させて、負荷に応じた空気量を確保する。気流制御弁２８、第２排気弁２２の非作動、第１点火プラグ１５の制御、ポート噴射弁２３の制御は上述した低回転かつ低負荷運転時の制御と同様なので、説明を省略する。
【００９２】
［加速時における制御］
内燃機関１０の加速時、例えば、内燃機関１０を搭載した車両を加速させる際には、運転制御装置５０によって内燃機関１０は次のように制御される。排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１を作動させるとともに、第１排気弁２１のリフト量を低回転かつ中負荷での運転時よりも大きくする。過給機制御部５５は、第１過給機３１の電動機３１ｍにより第１過給機３１の圧縮機３１ｂを駆動して燃焼空間１４へ空気を供給する。この場合、電動機３１ｍを最大出力で駆動して過給圧力を急激に上昇させ、加速に見合った十分な量の空気を燃焼空間１４へ送り込む。加速の開始時には排ガスの量が不十分であるため過給圧力が迅速に上昇しないが、このように電動機３１ｍで過給することにより、迅速に過給圧力を上昇させて、応答性よく内燃機関１０を加速に移行させることができる。
【００９３】
気流制御部５２は、気流制御弁用アクチュエータ２８ａを駆動して、図１１に示すように、気流制御弁２８を開く方向（図１１の矢印Ｒｏの方向）に制御する。すなわち、気流制御部５２は、気流制御弁２８を動作させて、吸気ポート１８の通路断面積を、所定の値（少なくとも現時点の値）よりも大きい値とする。より具体的には、気流制御部５２は、気流制御弁２８の開度を最大にして、吸気ポート１８の最大通路断面積Ａｍａｘとする。第１排気弁２１のリフト量を増加させ、かつ過給圧力を急激に上昇させるとともに、気流制御弁２８の開度を最大にすることによって、燃焼空間１４へ十分な空気を送り込み、燃焼空間１４内の残留ガスをすべて外部へ掃気するようにする。
【００９４】
燃料供給制御部５４は、ポート噴射弁２３を停止するとともに、図１１に示すように、筒内燃料噴射弁２４から燃焼空間１４内へ燃料２４ａを噴射する。加速時には、過給圧力を急激に上昇させ、かつ気流制御弁２８の開度を最大にするので、ポート噴射弁２３から燃料を噴射すると、吸気ポート１８から燃焼空間１４へ流入する空気とともに、燃料が燃焼空間１４の外部へ吹き抜けるおそれがある。このため、筒内燃料噴射弁２４で燃焼空間１４へ燃料を噴射して、この吹き抜けを抑制する。運転制御装置５０の点火制御部５９は、第１点火プラグ１５を用いずに、第２点火プラグ１６から放電させて、燃焼空間１４内の燃料２４ａと空気との混合気２４ｂへ点火する。このように制御することによって、加速時には、応答性よく内燃機関１０を運転できる。
【００９５】
［低回転かつＷＯＴ時の制御］
ＷＯＴとは、Wide Open Throttleであり、スロットル弁の出口側における空気の圧力Ｐｏと、スロットル弁の入口側における空気の圧力Ｐｉとの比（スロットル弁圧力比）Ｐｏ／Ｐｉが１に近い状態（例えば０．９９以上）になることである。内燃機関１０はスロットル弁を備えていないので、この内燃機関１０においては、負荷率が略１００％に相当する全負荷の状態がＷＯＴに相当する。
【００９６】
ここで説明する低回転かつＷＯＴの状態は、例えば、上述した加速状態が終了し、過給圧が設定値まで到達した後であることが前提である。この場合、図１に示す内燃機関１０の排ガスのみで設定された過給圧力を発生させることができるので、過給機制御部５５は、第１過給機３１の電動機３１ｍの駆動を停止する。気流制御弁２８、第２点火プラグ１６、筒内燃料噴射弁２４の制御は上述した加速時の制御と同様なので、説明を省略する。
【００９７】
内燃機関１０が低回転かつＷＯＴである場合、内燃機関１０が排出する排ガスの量が多くなるため、内燃機関１０が発生するすべての排ガスを容量の小さい第１過給機３１へ供給すると、過給の効率が低下する。そこで、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１のリフト量を加速時よりも小さくするとともに、第２動弁機構２２ａを駆動して、第２排気弁２２のリフト量を加速時よりも大きくする。この場合、第１排気弁２１のリフト量よりも第２排気弁２２のリフト量の方が小さい。
【００９８】
これによって、第１過給機３１へ供給される排ガスの量が低下し、その分が第２過給機３２へ供給されて第２過給機３２から過給するので、過剰な排ガスが供給されることによる第１過給機３１の過給効率の低下を抑制できる。その結果、内燃機関１０からより多くの出力を取り出すことができる。
【００９９】
［中回転かつＷＯＴ時の制御］
上述した低回転かつＷＯＴの状態から機関回転数が上昇し、内燃機関１０が中回転かつＷＯＴの状態になった場合、内燃機関１０が排出する排ガスの量は低回転かつＷＯＴの状態よりも多くなる。このため、より多くの排ガスを第２過給機３２へ供給して過給効率のよい条件で第２過給機３２を運転するとともに、第１過給機３１へ供給する排ガスの割合を低減して、第１過給機３１の過給効率の低下を抑制する。
【０１００】
このため、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａを駆動して、第１排気弁２１のリフト量を低回転かつＷＯＴのときよりも小さくするとともに、第２動弁機構２２ａを駆動して、第２排気弁２２のリフト量を低回転かつＷＯＴのときよりも大きくする。この場合、第１排気弁２１のリフト量よりも第２排気弁２２のリフト量の方が大きくなる。
【０１０１】
これによって、第１過給機３１へ供給される排ガスの量がさらに低下し、その分が第２過給機３２へ供給されて第２過給機３２から過給するので、過剰な排ガスが供給されることによる第１過給機３１の過給効率の低下を抑制できる。その結果、内燃機関１０からより多くの出力を取り出すことができる。なお、気流制御弁２８、第２点火プラグ１６、筒内燃料噴射弁２４の制御は上述した加速時の制御と同様なので、説明を省略する。
【０１０２】
［高回転かつＷＯＴ時の制御］
上述した中回転かつＷＯＴの状態から機関回転数が上昇し、内燃機関１０が高回転かつＷＯＴの状態になった場合、内燃機関１０が排出し得る排ガスの量は内燃機関１０のすべての運転条件中、最大となる。この場合、内燃機関１０が排出する排ガスをすべて第２過給機３２へ供給する。
【０１０３】
このため、排気弁制御部５３は、第１動弁機構２１ａの駆動を停止して、第１排気弁２１の作動を停止させるとともに、第２動弁機構２２ａを駆動して、第２排気弁２２のリフト量を中回転かつＷＯＴのときよりも大きくする。この場合、第２排気弁２２のリフト量は最大となり、第１排気弁２１のリフト量よりも第２排気弁２２のリフト量の方が大きくなる。
【０１０４】
これによって、すべての排ガスが第２過給機３２へ供給され、内燃機関１０は第２過給機３２のみを用いて過給される。これによって、第２過給機３２を過給効率のよい状態で運転できるので、内燃機関１０からより多くの出力を取り出すことができる。なお、気流制御弁２８、第２点火プラグ１６、筒内燃料噴射弁２４の制御は上述した加速時の制御と同様なので、説明を省略する。
【０１０５】
このように、本実施形態では、内燃機関１０が加速を経てＷＯＴで運転される場合、機関回転数の上昇とともに、内燃機関１０が排出する全排ガスのうち、第１過給機３１へ供給する排ガスの配分割合を減少させ、第２過給機３２へ供給する排ガスの配分割合を増加させる。これによって、それぞれの過給機を最適な過給効率で運転できるので、内燃機関１０を効率よく過給して、内燃機関１０からより多くの出力を取り出すことができる。
【０１０６】
以上、本実施形態では、電動機でも駆動可能な第１の過給機と、第１の過給機とは空気の供給能力が異なる第２の過給機とを備えるとともに、第１の排気弁を第１の動弁機構により、第２の排気弁２２を第２の動弁機構によって、それぞれ独立に動作を制御して、第１の過給機の駆動と第２の過給機の駆動とを独立に制御できるように構成する。これによって、内燃機関の負荷や機関回転数等の運転条件に応じて、第１過給機へ供給する排ガスの割合と第２の過給機へ供給する排ガスの割合とを変更したり、内燃機関からの排ガスが期待できない運転条件では第１過給機の電動機により過給したりすることができる。その結果、運転条件によって、過給による性能向上が不十分となることを抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、ピストンがシリンダ内を１往復する間に熱機関の１サイクルが終了する内燃機関に有用であり、特に、このような内燃機関で排ガスにより過給する過給機を備えるものに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の全体構成図である。
【図２】本実施形態に係る内燃機関の一部拡大図である。
【図３】本実施形態に係る内燃機関の排気弁のリフト量を説明する概念図である。
【図４−１】本実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの頂面を示す平面図である。
【図４−２】本実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの頂面を示す平面図である。
【図５】本実施形態に係る内燃機関の運転制御装置の構成を示す説明図である。
【図６】本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。
【図７】本実施形態に係る運転制御の説明図である。
【図８】本実施形態に係る運転制御の説明図である。
【図９】本実施形態に係る運転制御の説明図である。
【図１０】本実施形態に係る運転制御の説明図である。
【図１１】本実施形態に係る運転制御の説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
２  機関ＥＣＵ
１０  内燃機関
１１  シリンダ
１２  頂部
１３  ピストン
１３ａ  気流変更部
１３ｔ  頂面
１４  燃焼空間
１５  第１点火プラグ
１６  第２点火プラグ
１８  吸気ポート
１８ｏ  吸気ポート開口部
１９ｈ、１９ｌ  排ガス浄化触媒
２０ｌ  第１排気ポート
２０ｈ  第２排気ポート
２０ｌｏ  第１開口部
２０ｈｏ  第２開口部
２１  第１排気弁
２１ａ  第１動弁機構
２２  第２排気弁
２２ａ  第２動弁機構
２３  ポート噴射弁
２４  筒内燃料噴射弁
２５  冷却水温度センサ
２６  エアークリーナー
２７  エアフローメータ
２８  気流制御弁
２８ａ  気流制御弁用アクチュエータ
２９  クランク角センサ
３０  吸気冷却器
３１  第１過給機
３１ａ、３２ａ  タービン
３１ｂ、３２ｂ  圧縮機
３１ｍ  電動機
３２  第２過給機
３２ｓ  シャフト
３５  燃料タンク
３７  燃料性状検出手段
３８  フィードポンプ
３９  高圧ポンプ
４０  残留ガス
５０  運転制御装置
５０Ｍ  記憶部
５０Ｐ  処理部
５１  制御条件判定部
５２  気流制御部
５３  排気弁制御部
５４  燃料供給制御部
５５  過給機制御部
５９  点火制御部
【図１】
2009121336.tif 000003
【図２】
2009121336.tif 000004
【図３】
2009121336.tif 000005
【図４−１】
2009121336.tif 000006
【図４−２】
2009121336.tif 000007
【図５】
2009121336.tif 000008
【図６】
2009121336.tif 000009
【図７】
2009121336.tif 000010
【図８】
2009121336.tif 000011
【図９】
2009121336.tif 000012
【図１０】
2009121336.tif 000013
【図１１】
2009121336.tif 000014